وصفنا استخدام مقايسة الكروماتوغرافيا الحيوية المباشرة ذات الطبقة الرقيقة وقياس الطيف الكتلي للكروماتوغرافيا السائلة لتحديد المنتجات الطبيعية الميكروبية التي تظهر العداء ضد مسببات الأمراض الفطرية باستخدام العامل الممرض Sclerotinia sclerotiorum وعزلات Bacillus المبيدة للمبيدات الحيوية كنظام نموذجي.
التصوير الحيوي المباشر لكروماتوغرافيا الطبقة الرقيقة (TLC-DB) هو اختبار حيوي راسخ يستخدم لفصل وتحديد المنتجات الطبيعية (NPs) المعادية لمسببات الأمراض المستهدفة. إنه خيار سريع وغير مكلف وبسيط للعزل الموجه بالمقايسة الحيوية وتحديد NPs التي تتوقف على الفصل بواسطة TLC إلى جانب التطبيق المباشر لمسببات الأمراض المستهدفة لفحص النشاط الحيوي. يستخدم عادة لتحليل المستخلصات النباتية النشطة بيولوجيا ، والكشف عن النشاط المثبط ضد البكتيريا والفطريات والإنزيمات. ومع ذلك ، فإن لديها إمكانات كبيرة في اكتشاف NP البكتيرية ، لا سيما لتقييم NPs البكتيرية ضد مسببات الأمراض الزراعية ذات الصلة ، وهو أمر ذو قيمة لاكتشاف وتطوير مبيدات حيوية جديدة للصناعة الزراعية. علاوة على ذلك ، فهو بروتوكول قابل للضبط يمكن تطبيقه على مسببات الأمراض المستهدفة الأخرى أو مصادر NPs في برامج البحث المتعلقة باكتشاف وتحديد المركبات النشطة بيولوجيا. هنا ، نصف نظاما نموذجيا لاكتشاف وتحديد مبيدات الآفات الحيوية NPs باستخدام TLC-DB مع Bacillus spp. والممرض الزراعي Sclerotinia sclerotiorum.
تتسبب مسببات الأمراض الزراعية الفطرية في خسائر كبيرة في جودة المحاصيل وغلة المحاصيل في جميع أنحاء العالم ، مما يساهم في التحديات الاقتصادية وتحديات العرض لنظام إنتاج غذائي عالمي مستقر 1,2. يمكن الوقاية من الأضرار الناجمة عن مسببات الأمراض عن طريق تربية أصناف مقاومة للعدوى واستخدام نظم متكاملة لإدارة المحاصيل ، بما في ذلك تناوب المحاصيل وممارسات إدارة الأراضي لقمع انتشار مسببات الأمراض 3,4. على الرغم من أن هذه الطرق تقلل من الأضرار التي تلحق بالمحاصيل ، إلا أن المبيدات الكيميائية تستخدم بشكل عام جنبا إلى جنب لقتل الهياكل التناسلية الفطرية بنشاط في الحقل ومنع الضرر وانخفاض الغلة. على الرغم من فعاليتها ، إلا أن استخدام مبيدات الآفات الكيميائية له العديد من العيوب ، بما في ذلك الأضرار التي لحقت بالنظم الإيكولوجية المحيطة ، وانخفاض خصوبة التربة ، والمخاطر المرتبطة بصحة الإنسان ، وتطوير مقاومة مسببات الأمراض ، وهذا الأخير يسبب جرعات أعلى من المبيدات الحشرية المطلوبة كل عام5،6،7.
لطالما اعتبرت منتجات إدارة الآفات ومسببات الأمراض القائمة على الميكروبات بدائل محتملة أو مكملة لمبيدات الآفات الاصطناعية. منذ أوائل أواخر القرن التاسع عشر ، تم استخدام Bacillus thuringiensis على نطاق واسع للسيطرة على الآفات الزراعية ومسببات الأمراض كمعالجة للبذور ، كرذاذ ورقي ، وفي المعالجة المباشرة للتربة8. وقد سميت هذه المنتجات بالمبيدات الحيوية وتتميز بأنها كائنات دقيقة تحدث بشكل طبيعي أو مواد كيميائية حيوية يمكنها قتل أو قمع أو تقليل قوة الآفة أو العامل الممرض المستهدف. يمكن للمبيدات الحيوية التحكم في نمو العامل الممرض من خلال آليات مختلفة ولكن الأكثر شيوعا تفعل ذلك من خلال إفراز المستقلبات الثانوية9. لا تشارك المستقلبات الثانوية ، التي يشار إليها غالبا باسم المنتجات الطبيعية ، في عملية التمثيل الغذائي الأولي ولكن يتم إنتاجها كميزة تطورية للتغلب على الكائنات الحية الدقيقة الأخرى10.
تقدم المبيدات الحيوية العديد من المزايا على نظيراتها الاصطناعية. إنها تشكل مخاطر سمية منخفضة على البيئة والبشر مقارنة بمنتجات إدارة الآفات الاصطناعية 9,10. نظرا لأن معظم مبيدات الآفات الحيوية موجودة بشكل طبيعي في البيئة منذ آلاف السنين ، فإن مسارات التحلل البيولوجي للمستقلبات الميكروبية موجودة في البيئة ، مما يحد من إمكانية تلوث التربة أو النظام الإيكولوجي ويقلل من أوقات الإقامة التي تساهم في أن تكون مبيدات الآفات الاصطناعية مدمرة للبيئة11. بالإضافة إلى ذلك ، فإن العديد من المبيدات الحيوية المستخدمة للتخفيف من عدوى مسببات الأمراض تظهر أيضا خصائص تعزيز نمو النبات ، والتي يمكن أن تزيد من التوافر البيولوجي للمغذيات وتحفز المقاومة الجهازية للنبات12.
الأكثر شيوعا ، يتم تطبيق المبيدات الحيوية في شكل لقاح ميكروبي ، ويتم إفراز NPs بواسطة الكائنات الحية الدقيقة الحية في الموقع12،13. في مثل هذه الحالة ، يكون تحديد مصدر نشاط مبيد الآفات الحيوي ذا قيمة كبيرة. يوفر القيام بذلك نظرة ثاقبة لآلية عمل المبيد الحيوي ، ويساعد في بناء حالة لحماية الكائنات الحية الدقيقة ببراءة اختراع ، ويمكن أن يكون له تأثير علمي كبير إذا كانت هياكلها جديدة. ولكن الأهم من ذلك هو أن تحديد المصدر النشط بيولوجيا يسترشد بإمكانيات الصياغة لمنتج مبيد بيولوجي نهائي. إذا كان NP نفسه نشطا ، يمكن للمرء استخدام الكائنات الحية الدقيقة كمصنع للجزيئات الحيوية لإنتاج المبيدات الحيوية على نطاق واسع. بالإضافة إلى ذلك ، فإن العديد من NPs التي تم استكشافها للمكافحة الحيوية لها أيضا تطبيقات محتملة في الطب البشري ، مما يجعلها أكثر قيمة من الناحية الاقتصادية8.
تعد مقايسات التصوير الحيوي المباشر للكروماتوغرافيا ذات الطبقة الرقيقة (TLC-DB) طريقة غير مكلفة ومباشرة للعزل الموجه بالنشاط الحيوي وتحديد مستقلبات المبيدات الحيوية. على الرغم من أن هذه التقنية تستخدم بشكل شائع لفصل اختبار النشاط الحيوي للمواد الكيميائية النباتية عن المستخلصات النباتية الخام ، إلا أنها تتمتع أيضا بإمكانات كبيرة لتحليل المستخلصات الميكروبية14. يوفر TLC فصلا سريعا وغير مكلف ل NPs في مستخلص ميكروبي خام ، وبعد الطلاء بتعليق مسببات الأمراض في الوسائط ، يمكن تصور المناطق التي تحتوي على مستقلبات نشطة بسهولة. يمكن كشط هذه المناطق من الصفيحة واستخراجها للتحليل الكيميائي بواسطة كروماتوغرافيا سائلة فائقة الأداء مقترنة بقياس الطيف الكتلي (UPLC-MS) لتحديد المستقلبات المعروفة. يمكن عزل المستقلبات التي لا تتطابق مع المركبات المبلغ عنها سابقا بكميات أكبر عن طريق الكروماتوغرافيا السائلة للخضوع لدراسات توضيح البنية باستخدام تقنيات مثل التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي وعلم البلورات بالأشعة السينية15.
توضح هذه المقالة نظاما نموذجيا لاكتشاف وتحديد مبيدات الآفات الحيوية NPs باستخدام TLC-DB مع Bacillus spp. والممرض الزراعي Sclerotinia sclerotiorum. يقدم الشكل 1 نظرة عامة تخطيطية على إجراء TLC-DB.
الشكل 1: نظرة عامة تخطيطية للخطوات 4-7 من إجراء TLC-DB. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
TLC-DB هي أداة بحث NP قيمة وراسخة وبديل بسيط وغير مكلف لطرق العزل الموجهة بالمقايسة الحيوية للصفائح الدقيقة17. يتطلب الحد الأدنى من الوقت والموارد المادية مقارنة بمقايسات الصفائح الدقيقة ، والتي تتطلب فصل الأيض باستخدام تقنيات الكروماتوغرافيا السائلة. إنه اختبار متعدد الاستخدامات للغاية يمكن استخدامه للكشف عن NPs المضادة للبكتيريا والفطريات والطفيليات ومضادات الأكسدة بالإضافة إلى مثبطات الإنزيم18،19،20،21،22،23. على الرغم من أنها الأكثر استخداما للكشف عن المواد الكيميائية النباتية النشطة بيولوجيا وتحديدها ، إلا أنه يمكن تطبيق نفس الطريقة على NPs البكتيرية كما هو موضح في هذا البروتوكول18. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تحسين البروتوكول للاستخدام مع مجموعة متنوعة من مصادر NP ومسببات الأمراض المستهدفة للمساعدة في اكتشاف وتقييم NPs النشطة بيولوجيا الجديدة.
يمكن أن تؤثر الوسائط المستخدمة لنمو البكتيريا والمذيبات المستخدمة في الاستخراج بشكل كبير على نتائج اكتشاف المنتجات الطبيعية. تم تحسين الوسائط المستخدمة في هذا البروتوكول للبكتيريا التي تنتج الببتيدات الشحمية الحلقية ، بما في ذلك Pseudomonas و Bacillus spp. ولكن ينبغي النظر في وسائل الإعلام ومصادر المغذيات الأخرى عند استكشاف أجناس أخرى. يمكن للمرء أن يختار إكمال TLC-DB باستخدام نفس الكائنات الحية الدقيقة المزروعة في مجموعة من الوسائط لتقييم النطاق الكامل لتنوع الأيض من عزلة واحدة أو استخدام ظروف نمو متطابقة لمجموعة واسعة من العزلات. يؤثر اختيار مذيب الاستخراج أيضا على المنتجات الطبيعية المكتشفة. من المفهوم عموما أن معظم NPs النشطة بيولوجيا لها قطبية منخفضة إلى معتدلة ، مما يجعل أسيتات الإيثيل خيارا مناسبا بسبب نقطة غليانها المنخفضة ، مما يجعل من السهل إزالتها. ومع ذلك ، إذا رغب المرء أيضا في فحص الكسور القطبية وغير القطبية ، فيمكن إجراء عمليات استخراج متعددة بمذيبات أخرى. بدلا من ذلك ، يمكن تجفيف المستخلص الخالي من الخلايا بالتجميد واستخدامه في الفحص لرؤية جميع المستقلبات التي يتم إطلاقها في الوسائط. ومع ذلك ، غالبا ما يلزم تحميل المزيد من المواد على لوحة TLC لحساب مكونات الوسائط المجففة في المادة المجففة بالتجميد. وبالمثل ، إذا تم استخدام هذه الطريقة مع مسببات الأمراض المختلفة ، مثل اللقاح ، فيجب تحسين الوسائط المستخدمة وظروف الحضانة للحصول على 5 ألواح أجار من الفطريات المستخدمة في فحص TLC-DB.
يعد TLC-DB مفيدا مقارنة بالتصوير الحيوي للتلامس والغمر لأنه يستخدم أنحف طبقة من الآجار واللقاح ، مما يقلل من الاعتماد على انتشار المستقلبات في طبقة الآجار ، والتي يمكن أن تسمح بكميات أقل من المنتجات الطبيعية للحث على تثبيط مسببات الأمراض17. استخدمت النتائج المنشورة سابقا باستخدام طرق التوصيف الحيوي TLC معلقا بوغيا للممرض لإكمال الفحص17. على الرغم من أن هذا يسمح بالتحكم الدقيق في تركيز التعليق ، إلا أنه قد يكون من الصعب للغاية ويستغرق وقتا طويلا للحث على تكاثر بعض الفطريات24. يبسط هذا التعديل الفحص إلى حد كبير ويسمح بإكمال الفحص باستخدام مسببات الأمراض الفطرية التي يصعب إبواغتها وربما تم تجنبها سابقا لهذه الطريقة.
يمكن أن تؤثر كتلة المستخلص البكتيري المستخدم في الفحص على النتائج. إذا تم تطبيق القليل جدا من المستخلص على لوحة TLC ، فمن الممكن ألا يتم تجاوز الحد الأدنى من التركيز المثبط للمركب النشط ، ولن يتم اكتشاف النشاط الحيوي. نتيجة لذلك ، في بعض الحالات ، وكما هو موضح في الشكل 1 والشكل 2 ، من المفيد زيادة التحميل على لوحة TLC ، مما يضر بالفصل من أجل القدرة على اكتشاف النشاط بسهولة. وبالمثل، يجب ألا يكون حمل مسبب المرض الذي يتم رشه على اللوحة منخفضا جدا؛ حيث لن يكون هناك وسائط كافية لدعم نمو مسببات الأمراض. يمكن ضبط هذه الطريقة بسهولة لاستيعاب مجموعة متنوعة من المستخلصات البكتيرية ومسببات الأمراض ، وقد ضمنت كميات المستخلصات الميكروبية واللقاحات الموضحة في البروتوكول إمكانية اكتشاف النشاط الحيوي للعديد من مسببات الأمراض والمستخلصات الميكروبية. إذا لم يتم ملاحظة أي مناطق تثبيط عند الانتهاء من الفحص ، فقد يشير ذلك إلى أحد الإجراءات التالية. أولا ، قد لا تكون المستقلبات النشطة موجودة في المستخلص المطبق بسبب استخدام الوسائط غير المتوافقة لنمو البكتيريا أو بسبب نشاط البكتيريا الذي لا يكون نتيجة لإنتاج NP. يمكن إكمال فحص انتشار القرص مع المستخلص لتأكيد أو نفي وجود NPs نشطة في المستخلص. إذا لم يظهر اختبار انتشار القرص أي قمع لمسببات الأمراض ، فيمكن اختبار الوسائط الأخرى لتحديد ما إذا كانت الظروف الأخرى تنتج NPs نشطة بيولوجيا. إذا كان فحص انتشار القرص يشير إلى أن المستخلص يثبط العامل الممرض ، فقد يلزم تطبيق كتلة أكبر من المستخلص البكتيري على لوحة TLC ، وفي هذه الحالة يمكن محاولة إجراء اختبار آخر.
تعد مقارنة المستقلبات في ZOI بالمستخلص الخام أمرا ضروريا لتحديد NPs النشطة. في الفحص ، يمكن استقلاب المستقلبات من المستخلص الخام أو تعديلها بواسطة العامل الممرض ، والذي يمكن ملاحظته عبر LC-MS. وبالتالي ، يمكن اعتبار المستقلبات التي تحدث في كل من المستخلص الخام و ZOI فقط NPs التي تنتجها البكتيريا قيد الدراسة. إذا لم يتمكن المرء من ربط المستقلبات المستخرجة من ZOI بالمستقلبات في المستخلص الخام ، فيمكن تحضير لوحة TLC ، كما هو موضح في الخطوة 5. دون إكمال مقايسة السيرة الذاتية ، استخرج المستقلبات من لوحة TLC في نفس وقت الاحتفاظ الذي لوحظ في الفحص المكتمل. هذا من شأنه أن يسمح بارتباط أسهل بين المستقلبات في ZOIs والمستخلص الخام ، مما يتسبب في قمع مسببات الأمراض.
أحد عيوب TLC-DB هو أن دقة TLC أقل بكثير من تلك التي تحققت عند استخدام تقنيات فحص microwell التقليدية ، والتي تتطلب كروماتوغرافيا سائلة للفصل. وبالتالي ، من الشائع وجود مستقلبات متعددة في منطقة التثبيط حيث قد لا تساهم بعض المستقلبات في النشاط الحيوي. يمكن أن تحدث هذه المشكلة أيضا بسبب ممارسة التحميل الزائد على لوحة TLC لمراقبة النشاط الحيوي بشكل أكثر وضوحا. تم نشر الأعمال الحديثة باستخدام TLC (HP-TLC) عالي الأداء ، مما يحسن الدقة بشكل كبير ويمكن أن يسمح بأتمتة تطوير TLC وهو أمر مستحيل عند استخدام TLCالتقليدي 14،21،22،23. أيضا ، يمكن تطوير الألواح في بعد ثان (2D-TLC) لمزيد من المستقلبات المنفصلة مع أوقات احتفاظ مماثلة. ومع ذلك ، ينبغي للمرء أن يقيم ما إذا كانت زيادة الوقت وتكلفة المواد هي حل وسط جدير بالاهتمام لزيادة الدقة التي تم الحصول عليها من HP- و 2D-TLC25.
The authors have nothing to disclose.
نحن نقدر بامتنان الزراعة والأغذية الزراعية الكندية للتمويل الذي أصبح بموجبه هذا البحث ممكنا (المشروعان J-001843 و J-002021). نشكر بريت فان هاينينجن على تصوير محتوى الفيديو لهذا البروتوكول. نود أيضا أن نشكر طلاب الدراسات العليا السابقين (جينيفر فاكون ومارك نابور) على رؤيتهم حول الأساليب الموضحة في هذه المخطوطة.
0.5-5 mL single channel Pipette | VWR | CA11020-004 | |
10 mL Thin Layer Chromatography Sprayer | VWR | KT422530-0010 | |
100 x 15 mm Petri plates | VWR | 89038-970 | |
100-1000 µL pipette tips | VWR | 76322-164 | |
100-1000 µL single channel pipette | VWR | 76169-240 | |
15 mL sterile centrifuge tubes | VWR | CA21008-918 | |
1 L glass bottle | Millipore Sigma | CLS13951L | Must be autoclave safe |
1 mL sterile syringe with needle | Thomas Scientific | 8935L75 | Detachable needle is recommended |
2 mL Microcentrifuge tube | VWR | 87003-298 | |
50 mL sterile centrifuge tubes | VWR | CA21008-940 | |
5 mL pipette tips | VWR | CA11020-008 | |
7 mL scintilation vials | VWR | 76538-962 | |
95% ethanol | Thermo Fisher Scientific | A412-500 | |
Autoclave | Cole-Parmer | UZ-01850-34 | 8 L, 115 VAC |
Bacteriological agar | VWR | 97064-336 | |
bin | Thomas Scientific | 1216H91 | |
D-Glucose | VWR | BDH9230-500G | |
Dichloromethane ≥99.8% ACS | VWR | BDH1113-4LG | |
Ethyl Acetate ≥99.8% ACS | VWR | BDH1123-4LG | |
Filter paper | VWR | CA28297-846 | |
Grinding Beads | VWR | 12621-148 | |
Hygromycin B | VWR | CA80501-074 | |
Iron Sulfate Heptahydrate | VWR | 97061-542 | |
Laminar flow hood | CleanTech | 1000-6-A | |
LC-MS | Waters | LITR10064178 | UPLC/MS/MS TQD system |
Lyophilizer | Labconco | 700201000 | Temperature collector -50 °C |
Manganese Sulfate Hydrate | VWR | CAAA10807-14 | |
Methanol ≥99.8% ACS | VWR | BDH2018-5GLP | |
Paper towel | VWR | 89402-824 | |
Potato Dextrose Agar | VWR | CA90000-758 | |
Potato Dextrose Broth | VWR | CA90003-494 | |
Potsasium Phosphate Dibasic | VWR | 470302-246 | |
Potsasium Phosphate Monobasic | VWR | 470302-252 | |
Pressure Gauge 6mm Union Straight 0-10 bar (0-145 psi) | Tameson | F25U6 | |
Pseudomonas F Agar | VWR | 90003-352 | Also known as Flo Agar |
PTFE Tubing | Sigma Aldrich | 58697-U | 1/16 inch inner diameter |
Sodium Chloride | VWR | BDH9286-500G | |
Spatula | VWR | 82027-490 | |
Sterile Inoculation loops with needle | VWR | 76534-512 | |
Tinfoil | Thomas Scientific | 1086F24 | Can be purchased from supermarket |
TLC Silica Gel 60 RP-18 F254S 25 Glass Plates 20 X 20 cm | Thomas Scientific | 1205Q12 | |
Vacuum Pump | Labconco | 1472100 | 98 L/min |
Vortex | VWR | 76549-928 | Must accomadate 15 mL and 50 mL centrifuge tubes |
Whatman in-line HEPA-VENT | Millipore Sigma | WHA67235000 | 10 filters, 1/4 to 3/8 inch inlet/outlet |
VWR | 97063-370 |