Observação Direta e Mensuração Automatizada das Respostas Estomáticas a Pseudomonas syringae pv. tomate DC3000 em Arabidopsis thaliana
Summary
Aqui, apresentamos um método simples para observação direta e medida automatizada das respostas estomáticas à invasão bacteriana em Arabidopsis thaliana. Esse método utiliza um dispositivo portátil de imagem estomática, juntamente com um pipeline de análise de imagem projetado para imagens foliares capturadas pelo dispositivo.
Abstract
Os estômatos são poros microscópicos encontrados na epiderme foliar da planta. A regulação da abertura estomática é fundamental não apenas para equilibrar a absorção de dióxido de carbono para fotossíntese e perda de água transpiracional, mas também para restringir a invasão bacteriana. Enquanto as plantas fecham estômatos após o reconhecimento de micróbios, bactérias patogênicas, como Pseudomonas syringae pv. tomate DC3000 (Pto), reabra os estômatos fechados para ter acesso ao interior da folha. Nos ensaios convencionais de avaliação das respostas estomáticas à invasão bacteriana, cascas epidérmicas foliares, discos foliares ou folhas destacadas são flutuadas sobre suspensão bacteriana e, em seguida, os estômatos são observados ao microscópio seguido da medição manual da abertura estomática. No entanto, esses ensaios são pesados e podem não refletir as respostas estomáticas à invasão bacteriana natural em uma folha aderida à planta. Recentemente, foi desenvolvido um dispositivo portátil de imagem que pode observar estômatos pinçando uma folha sem desprendê-la da planta, juntamente com um pipeline de análise de imagem baseado em aprendizado profundo projetado para medir automaticamente a abertura estomática a partir de imagens foliares capturadas pelo dispositivo. Aqui, com base nesses avanços técnicos, um novo método para avaliar as respostas estomáticas à invasão bacteriana em Arabidopsis thaliana é introduzido. Este método consiste em três etapas simples: inoculação por atomização de Pto mimetizando processos naturais de infecção, observação direta de estômatos em uma folha da planta inoculada com Pto usando o dispositivo portátil de imagem e medição automatizada da abertura estomática pelo pipeline de análise de imagens. Este método foi usado com sucesso para demonstrar o fechamento e a reabertura estomáticos durante a invasão de Pto em condições que mimetizam a interação natural planta-bactéria.
Introduction
Estômatos são poros microscópicos cercados por um par de células de guarda na superfície das folhas e outras partes aéreas das plantas. Em ambientes em constante mudança, a regulação da abertura estomática é fundamental para que as plantas controlem a absorção de dióxido de carbono necessária para a fotossíntese às custas da perda de água via transpiração. Assim, a quantificação da abertura estomática tem sido fundamental para o entendimento da adaptação ambiental das plantas. No entanto, quantificar a abertura estomática é inerentemente demorado e complicado, pois requer trabalho humano para detectar e medir poros estomáticos em uma imagem foliar capturada por um microscópio. Para contornar essas limitações, vários métodos têm sido desenvolvidos para facilitar a quantificação da abertura estomática em Arabidopsis thaliana, uma planta-modelo extensivamente utilizada para estudar a biologia estomática1,2,3,4,5,6. Por exemplo, um porômetro pode ser usado para medir a taxa de transpiração como uma métrica de condutância estomática. Entretanto, este método não fornece informações diretas sobre o número estomático e a abertura que determinam a condutância estomática. Alguns estudos utilizaram técnicas de microscopia confocal destacando poros estomáticos utilizando um marcador fluorescente de actina, um corante fluorescente ou autofluorescência da parede celular 1,2,3,4,5. Embora essas abordagens facilitem a detecção de estômatos, o custo de operar uma instalação de microscopia confocal e preparar amostras de microscopia pode ser um obstáculo para a aplicação de rotina. Em um trabalho pioneiro de Sai et al., um modelo de rede neural profunda foi desenvolvido para medir automaticamente a abertura estomática a partir de imagens microscópicas de campo claro de peelings epidérmicos de A. thaliana 6. No entanto, essa inovação não isenta os pesquisadores da tarefa de preparar um peeling epidérmico para observação microscópica. Recentemente, esse obstáculo foi superado com o desenvolvimento de um aparelho portátil de imagem capaz de observar estômatos pinçando uma folha de A. thaliana, juntamente com um pipeline de análise de imagens baseado em aprendizado profundo que mede automaticamente a abertura estomática a partir de imagens foliares capturadas pelo dispositivo7.
Os estômatos contribuem para a imunidade inata das plantas contra patógenos bacterianos. A chave para essa resposta imune é o fechamento estomático que restringe a entrada bacteriana através dos poros microscópicos no interior da folha, onde patógenos bacterianos proliferam e causam doenças8. O fechamento estomático é induzido pelo reconhecimento de padrões moleculares associados a micróbios (MAMPs), moléculas imunogênicas que são frequentemente comuns a uma classe de micróbios, por receptores de reconhecimento de padrões localizados na membrana plasmática (PRRs)9. Um epítopo de 22 aminoácidos da flagelina bacteriana conhecido como flg22 é um MAMP típico que induz o fechamento estomático através do seu reconhecimento pelo PRR FLS210. Como contramedida, patógenos bacterianos como Pseudomonas syringae pv. tomate DC3000 (Pto) e Xanthomonas campestris pv. vesicatórios desenvolveram mecanismos de virulência para reabrir estômatos9,11,12. Essas respostas estomáticas a patógenos bacterianos têm sido convencionalmente analisadas em ensaios nos quais cascas epidérmicas foliares, discos foliares ou folhas destacadas são flutuadas em suspensão bacteriana e, em seguida, estômatos são observados ao microscópio seguido de medição manual da abertura estomática. No entanto, esses ensaios são pesados e podem não refletir as respostas estomáticas à invasão bacteriana natural que ocorre em uma folha aderida à planta.
Aqui, um método simples é apresentado para investigar o fechamento e a reabertura estomáticos durante a invasão de Pto sob a condição que mimetiza de perto a interação natural planta-bactéria. Este método utiliza o dispositivo portátil de imagem para observação direta de estômatos de A. thaliana em uma folha acoplada à planta inoculada com Pto, juntamente com a tubulação de análise de imagem para medição automatizada da abertura estomática.
Protocol
Representative Results
Discussion
Estudos prévios utilizaram cascas epidérmicas, discos foliares ou folhas destacadas para investigar respostas estomáticas a invasões bacterianas 9,11,12. Em contrapartida, o método proposto neste estudo utiliza o aparelho portátil de imagem estomática para observar diretamente estômatos em uma folha aderida à planta após inoculação por atomização por atomização, mimetizando condições naturais de invas?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a todos os membros do projeto de pesquisa, ‘Co-criação de características adaptativas de plantas via montagem de holobionte de micróbio vegetal’, por discussões frutíferas. Este trabalho foi apoiado por Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (21H05151 e 21H05149 para A.M. e 21H05152 para Y.T.) e Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research (22K19178 para A. M.).
Materials
| Agar | Nakarai tesque | 01028-85 | |
| Airbrush kits | ANEST IWATA | MX2900 | Accessory kits for SPRINT JET |
| Biotron | Nippon Medical & Chemical Instruments | LPH-411S | Plant Growth Chamber with white fluorescent light |
| Glycerol | Wako | 072-00626 | |
| Half tray | Sakata | 72000113 | A set of tray and lid |
| Hyponex | Hyponex | No catalogue number available | Dilute the solution of Hyponex at a ratio of 1:2000 in deionized water for watering plants |
| Image J | Natinal Institute of Health | Download at https://imagej.nih.gov/ij/download.html | Used for manual measurement of stomatal aperture |
| K2HPO4 | Wako | 164-04295 | |
| KCl | Wako | 163-03545 | |
| KOH | Wako | 168-21815 | For MES-KOH |
| MES | Wako | 343-01621 | For MES-KOH |
| Portable stomatal imaging device | Phytometrics | Order at https://www.phytometrics.jp/ | Takagi et al.(2023) doi: 10.1093/pcp/pcad018. |
| Rifampicin | Wako | 185-01003 | Dissolve in DMSO |
| Silwet-L77 | Bio medical science | BMS-SL7755 | silicone surfactant used in spray inoculation |
| SPRINT JET | ANEST IWATA | IS-800 | Airbrush used for spray inoculation |
| SuperMix A | Sakata seed | 72000083 | Mix with Vermiculite G20 in equal proportions for preparing soil |
| Tryptone | Nakarai tesque | 35640-95 | |
| Vermiculite G20 | Nittai | No catalogue number available | Mix with Super Mix A in equal proportions for preparing soil |
| White fluorescent light | NEC | FHF32EX-N-HX-S | Used for Biotron |
Referências
- Shimono, M., Higaki, T., Kaku, H., Shibuya, N., Hasezawa, S., Day, B. Quantitative evaluation of stomatal cytoskeletal patterns during the activation of immune signaling in Arabidopsis thaliana. PLoS One. 11, e0159291 (2016).
- Bourdais, G., et al. The use of quantitative imaging to investigate regulators of membrane trafficking in Arabidopsis stomatal closure. Traffic. 20 (2), 168-180 (2019).
- Higaki, T., Kutsuna, N., Hasezawa, S. CARTA-based semi-automatic detection of stomatal regions on an Arabidopsis cotyledon surface. Plant Morphology. 26 (1), 9-12 (2014).
- Eisele, J. F., Fäßler, F., Bürgel, F., Chaban, C. A. A rapid and simple method for microscopy-based stomata analyses. PLoS One. 11, e0164576 (2016).
- Chitraker, R., Melotto, M. Assessing stomatal response to live bacterial cells using whole leaf imaging. Journal of Visualized Experiments. 44, 2185 (2010).
- Sai, N., et al. StomaAI: an efficient and user-friendly tool for measurement of stomatal pores and density using deep computer vision. New Phytologist. 238 (2), 904-915 (2023).
- Takagi, M., et al. Image-based quantification of Arabidopsis thaliana stomatal aperture from leaf images. Plant and Cell Physiology. pcad018, (2023).
- Melotto, M., Zhang, L., Oblessuc, P. R., He, S. Y. Stomatal defense a decade later. Plant Physiology. 174 (2), 561-571 (2017).
- Melotto, M., Underwood, W., Koczan, J., Nomura, K., He, S. Y. Plant stomata function in innate immunity against bacterial invasion. Cell. 126 (5), 969-980 (2006).
- Zeng, W., He, S. A prominent role of the flagellin receptor FLAGELLIN-SENSING2 in mediating stomatal response to Pseudomonas syringae pv tomato DC3000 in Arabidopsis. Plant Physiology. 153 (3), 1188-1198 (2010).
- Zheng, X. Y., et al. Coronatine promotes Pseudomonas syringae virulence in plants by activating a signaling cascade that inhibits salicylic acid accumulation. Cell Host and Microbe. 11 (6), 587-596 (2012).
- Raffeiner, M., et al. The Xanthomonas type-III effector XopS stabilizes CaWRKY40a to regulate defense responses and stomatal immunity in pepper (Capsicum annuum). The Plant Cell. 34 (5), 1684-1708 (2022).
- Munemasa, S., Hauser, F., Park, J., Waadt, R., Brandt, B., Schroeder, J. I. Mechanisms of abscisic acid-mediated control of stomatal aperture. Current Opinion in Plant Biology. 28, 154-162 (2015).
- Förster, S., et al. Wounding-induced stomatal closure requires jasmonate-mediated activation of GORK K+ channels by a Ca2+ sensor-kinase CBL1-CIPK5 complex. Developmental Cell. 48 (1), 87-99 (2018).
- Cheng, Y. T., Zhang, L., He, S. Y. Plant-microbe interactions facing environmental challenge. Cell Host and Microbe. 26 (2), 183-192 (2019).
