Un método rápido y eficiente para evaluar la patogenicidad de Ustilago maydis en las líneas de maíz y teosinte
Summary
Se describe el uso de un método de inyección con aguja para inocular plantas de maíz y teosinto con el patógeno biotrófico Ustilago maydis. El método de inoculación por inyección de agujas facilita la entrega controlada del patógeno fúngico entre las hojas de la planta donde el patógeno entra en la planta a través de la formación de appresoria. Este método es altamente eficiente, permitiendo inoculaciones reproducibles con U. maydis.
Abstract
El maíz es uno de los principales cultivos de cereales en todo el mundo. Sin embargo, la susceptibilidad a patógenos biotróficos es la principal limitación para aumentar la productividad. U. maydis es un patógeno fúngico biotrófico y el agente causal del smut de maíz en el maíz. Esta enfermedad es responsable de pérdidas significativas de rendimiento de aproximadamente $ 1.000 millones anuales en los EE. UU. 1 Varios métodos, incluida larotación de cultivos, la aplicación de fungicidas y los tratamientos de semillas, se utilizan actualmente para controlar el smut de maíz2. Sin embargo, la resistencia del huésped es el único método práctico para el manejo de la muda de maíz. La identificación de plantas de cultivo como el maíz, el trigo y el arroz que son resistentes a diversos patógenos biotróficos ha disminuido significativamente las pérdidas de rendimiento anualmente3-5. Por lo tanto, el uso de un método de inoculación de patógenos que entregue de manera eficiente y reproducible el patógeno entre las hojas de la planta, facilitaría la rápida identificación de líneas de maíz que son resistentes a U. maydis. Como un primer paso hacia la identificación de las líneas de maíz que son resistentes a U. maydis,se utilizó un método de inoculación por inyección de agujas y un método de detección de reacción de resistencia para inocular líneas de introgresión de maíz, teosinte y maíz x teosinte con una cepa de U. maydis y para seleccionar plantas resistentes.
Las líneas de introgresión de maíz, teosinte y maíz x teosinte, que constan de unas 700 plantas, fueron plantadas, inoculadas con una cepa de U. maydis,y examinadas para detectar resistencia. Los métodos de inoculación y cribado identificaron con éxito tres líneas de teosinte resistentes a U. maydis. Aquí se presenta un protocolo detallado de cribado de inoculación por inyección de aguja y reacción de resistencia para las líneas de introgresión de maíz, teosinte y teosinte de maíz x teosinte. Este estudio demuestra que la inoculación por inyección de agujas es una herramienta invaluable en la agricultura que puede entregar eficientemente U. maydis entre las hojas de las plantas y ha proporcionado líneas de plantas que son resistentes a U. maydis que ahora se pueden combinar y probar en programas de mejoramiento para mejorar la resistencia a las enfermedades.
Introduction
Las enfermedades fúngicas de las plantas representan una de las amenazas más eminentes para la agricultura. La necesidad de desarrollar cultivos con mayor resistencia a las enfermedades está aumentando debido a las necesidades alimentarias de una creciente población mundial. Los patógenos de las plantas infectan naturalmente a las plantas de cultivo en el campo causando enfermedades que afectan negativamente el rendimiento de los cultivos6. Se ha demostrado que la identificación y utilización de plantas resistentes puede mejorar la resistencia y disminuir la pérdida de rendimiento. Se han identificado cultivares resistentes en muchas especies de plantas, incluyendo maíz, trigo, arroz y sorgo inoculando las plantas con un patógeno vegetal y seleccionando líneas resistentes7. Por lo tanto, el desarrollo y el uso de un método de inoculación eficiente permitiría que muchas plantas fueran inoculadas y examinadas para detectar resistencia. Se han utilizado varios métodos de inoculación, incluyendo la inoculación por inmersión, el pipeteo del cultivo en suspensión celular del patógeno en el torbellino de la planta y la inoculación por inyección deagujas 8-11. Con cada método, el patógeno debe introducirse de forma fiable entre las hojas de la planta donde el patógeno entra en la planta a través de la formación de appresoria para asegurar el desarrollo del patógeno y la infección de la planta12,13.
El método de inoculación por inmersión consiste en sumergir una plántula de planta en un cultivo de suspensión de células patógenas, mientras que el método de pipeteo requiere colocar el cultivo de suspensión celular de patógenos en el torbellino de la plántula de plantas. Sin embargo, hay problemas con ambos métodos. En primer lugar, ambos métodos dependen del movimiento natural del patógeno desde la superficie de la hoja hacia el tejido vegetal, que es muy variable. La mayoría de los patógenos entran naturalmente en la planta a través de aberturas estomáticas o heridas en la superficie de la hoja de la planta. Sin embargo, hay variabilidad significativa en la capacidad de los patógenos para penetrar la superficie de la hoja de la planta a través de los estomas y / o heridas en la superficie de la hoja. Por lo tanto, la penetración del patógeno no se puede controlar con cualquier método de la inoculación que puede dar por resultado datos incoherentes. En segundo lugar, cuando se revisa un gran número de plantas, sumergir las plántulas en un cultivo de suspensión de células patógenas puede llevar mucho tiempo y puede limitar el número de plantas que se pueden examinar. Por el contrario, el protocolo de inoculación por inyección de agujas aquí descrito entrega el cultivo en suspensión celular de patógenos entre las hojas de la planta facilitando la formación de appressoria14. El patógeno entonces utiliza el appressoria recientemente desarrollado para entrar en la planta eliminando el problema de la penetración del patógeno. Además, el protocolo de inoculación por inyección de agujas proporciona una gama de fenotipos para plantas de maíz y teosinto que han sido inoculadas con U. maydis y demuestran una buena infección. Los fenotipos se pueden utilizar como marcador para determinar la mejor concentración para el cultivo de la suspensión de la célula del patógeno dando por resultado fenotipos constantes de la planta dentro y entre diversos experimentos.
Después de la inoculación de la planta con un cultivo de suspensión celular de patógenos, las plantas son típicamente examinadas para detectar un fenotipo resistente o susceptible8-11,15. Mientras que las escalas de calificación de enfermedades se han utilizado ampliamente para examinar y clasificar los fenotipos de las plantas, las escalas de calificación difieren dependiendo del patógeno que se está analizando. Por lo tanto, un establecimiento de protocolo de escala de calificación de enfermedades para las interacciones de U. maydis y maíz puede ser utilizado para patógenos fúngicos similares16.
La presente serie de protocolos detalla la inoculación por inyección de agujas con un cultivo de suspensión celular U. maydis y un cribado de reacción de resistencia a enfermedades de las líneas de introgresión de maíz, teosinte y maíz x teosinte. Los protocolos actuales no se limitan a la inoculación por inyección con aguja de U. maydis en plantas de maíz, sino que se pueden utilizar para relativamente cualquier patógeno fúngico y especie de planta. Por lo tanto, incluir los detalles de ambos métodos en el mismo protocolo permitirá a los investigadores utilizar directamente los protocolos para la inoculación y el cribado o manipular los protocolos originales para adaptarse mejor al patógeno y a las especies vegetales de interés.
Protocol
Representative Results
Discussion
En este estudio, el método de inoculación por inyección de aguja utilizado para entregar una cepa de U. maydis en el tallo de 700 plantas de maíz y teosinte tuvo éxito. Además, se utilizó una escala de clasificación de resistencia a enfermedades revisada para examinar las plantas y detectar el desarrollo de patógenos. Como resultado del uso de ambos métodos, se identificaron líneas de plantas que son resistentes a U. maydis entre 700 plantas de maíz y teosinte que ahora se pueden combinar y …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Damos las gracias al Dr. Emir Islamovic por la asistencia de laboratorio e invernadero. También agradecemos a la Dra. Sherry Flint-Garcia por proporcionar las líneas de introgresión de maíz x teosinte.
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
| Seed for plants | Collected from original crosses | ||
| Growth chamber | Conviron | PGR14 REACH-IN | |
| Planting flats | Hummert International | 14-3385-2 | |
| Soil (3 parts pine bark; 1 part peat moss with perlite) | Hummert International | 10-1059-2 | |
| Laminar flow hood | Lab Conoco | 70875372 | |
| Glycerol stock of pathogen (U. maydis) or fungal pathogen of interest | Stocks were grown from original culture | ||
| Sterile loop | Fisher Scientific | S17356A | |
| Potato dextrose agar (PDA) plates | Fisher Scientific | R454311 | |
| Incubator set to 30 °C | Fisher Scientific | 11-690-650F | |
| Sterile toothpicks | Walmart | Purchased from Walmart and sterilized by autoclave | |
| Potato dextrose broth (PDB) | Fisher Scientific | ICN1008617 | |
| Incubator-shaker set to 30 °C | New Brunswick | 14-278-179 | |
| Spectrophotometer | Fisher Scientific | 4001000 | |
| U. maydis cell suspension culture (1 x 106 cells/ml) | Grown from glycerol stock as described in the methods | ||
| 3 ml Syringes | Becton Dickinson | 309606 | |
| .457 mm x 1.3 cm Hypodermic needles | Kendall Brands | 8881250321 |
Referências
- Smith, J. T. Crop fungal resistance developed using genetic engineering and antifungal proteins from viruses. , (2011).
- Sher, A. F., MacNab, A. A. . Vegetable diseases and their control. , 223-226 (1986).
- Crepet, W. L., Feldman, G. D. The earliest remains of grasses in the fossil record. Am. J. Bot. 78, 1010-1014 (1991).
- Iltis, H. H., Scoderstrom, T. R., Hilu, K. W., Campbell, C. S., Barkworth, M. E. Maize evolution and agricultural origins. Grass systematic and evolution. , 195-213 (1997).
- Mangelsdorf, P. C., Reeves, R. G. The origin of corn. III. Modern races, the product of tesonite. Bot. Mus. Leafl.. 18, 389-411 (1957).
- Agrios, G. N. . Plant Pathology. , (1997).
- Dean, R., et al. The top 10 fungal pathogens in molecular plant pathology. Mol. Plant. Pathol. 13, 414-430 (2012).
- Estrada, A. E., Jonkers, W., Kistler, H. C., May, G. Interactions beteen Fusarium verticillioides, Ustilago maydis, and Zea mays: An endophyte, a pathogen, and their shared plant host. Fung. Genet. Biol. 49, 578-587 (2012).
- Freeman, S., Rodriguez, R. J. A rapid technique for assessing pathogenicity of Fusarium oxysporum f. sp niveum and F. o. melonis on cucrbits. Plant Dis. 77, 1198-1201 (1993).
- Gottwald, T. R., Graham, J. H. A device for precise and nondisruptive stomatal inoculation of leaf tissue with bacterial pathogens. Phytopathol. 82, 930-935 (1992).
- Posada, F., Aime, M. C., Peterson, S. W., Rehner, S. A., Vega, F. E. Inoculation of coffee plants with the fungal entomopathogen Beauveria bassiana (Asomycota: Hypocreales). Mycolog. Res. 111, 748-757 (2007).
- Bolker, M., Bohnert, H. U., Braun, K. H., Gorl, J., Kahmann, R. Tagging pathogenicity genes in Ustilago maydis by restriction enzyme-mediated intergratior (REMI). Mol. Gen. Genet. 6, 274-283 (1991).
- Brachmann, A., Weinzierl, G., Kamper, J., Kahmann, R. Identification of genes in the bW/bE regulatory cascade in Ustilago maydis. Mol. Microbiol. 42, 1047-1063 (2001).
- Christensen, J. J. Corn smut caused by Ustilago maydis. Monograph number 2. , (1963).
- Skibbe, D. S., Doehlemann, G., Fernandes, J., Walbot, V. Maize tumors caused by Ustilago maydis require organ-specific genes in host and pathogen. Sci.. 328, 89-92 (2010).
- Kamper, J., et al. Insights from the genome of the biotrophic fungal plant pathogen Ustilago maydis. Nature. 444, 97-101 (2006).
- Allen, A., Kaur, J., Gold, S., Shah, D., Smith, T. J. Transgenic maize plants expressing the Totivirus antifungal protein, KP4, are highly resistant to corn smut. Plant Biotechnol. J. 8, 857-864 (2011).
- Gold, S. E., Brogdon, S. M., Mayorga, M. E., Kronstad, J. W. The Ustilago maydis regulatory subunit of a cAMP-Dependent protein kinase is required for gall formation in maize. , (1997).
- Gold, S. E., Kronstad, J. W. Disruption of two chitin syn- thase genes in the phytopathogenic fungus Ustilago maydis. Mol. Microbiol. 11, 897-902 (1994).
- Brefort, T., Doehlemann, G., Mendoza-Mendoza, A., Reissmann, S., Djamei, A., Kahmann, R. Ustilago maydis as a Pathogen. Annu. Rev. Phytopathol. 47, 423-445 (2005).
- Doehlemann, G., Wahl, R., Vranes, M., de Vries, R., Kämper, J., Kahmann, R. Establishment of compatibility in the Ustilago maydis/maize pathosystems. J. Plant Physiol. 165, 29-40 (2008).
- Reineke, G., Heinze, B., Schirawski, J., Buettner, H., Kahmann, R., Base, C. W. Indole-3-acetic acid (IAA) biosynthesis in the smut fungus Ustilago maydis and its relevance for increased IAA levels in infected tissue and host tumor formation. Mol. Plant Pathol. 9, 339-355 (2008).
- Martínez-Espinoza, A., García-Pedrajas, M. D., Gold, S. E. The Ustilaginales as Plant Pests and Model Systems. Fungal Genet. Biol. 35, 1-20 (2002).
- Banuett, F. Genetics of Ustilago maydis, a fungal pathogen that induces tumors in maize. Annu. Rev. Genet. 29, 179-208 (1995).
- Keen, N. T. A century of plant pathology: a retrospective view on understanding host-parasite interactions. Annu. Rev. Phytopathol. 38, 31-48 (2000).
