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El objetivo del protocolo presentado aquí es estudiar la respuesta de transcriptómicos de endosphere aislado de Bacillus mycoides a exudados de raíces de papa. Este método facilita la identificación de genes bacterianos importantes implicados en interacciones planta-microorganismo y es en principio aplicable a las plantas, con ajustes menores y otros endófitos.
Bacterias beneficiosas planta juegan un papel importante en promover el crecimiento y prevención de enfermedades en plantas. La aplicación de planta rizobacterias promotoras del crecimiento (PGPR) como agentes biofertilizantes o control biológico se ha convertido en una alternativa eficaz al uso de fertilizantes convencionales y puede aumentar la productividad de los cultivos a bajo costo. Interacciones planta-microorganismo dependen de señales secretadas por la planta anfitrión y una reacción de aquí en adelante por sus bacterias asociadas. Sin embargo, los mecanismos moleculares de bacterias beneficiosas como responden a sus asociados de origen vegetal las señales no se entienden completamente. Valoración de la respuesta de transcriptómicos de bacterias en los exudados de la raíz es un poderoso enfoque para determinar la expresión génica bacteriana y Reglamento condiciones rizosféricos. Tal conocimiento es necesario entender los mecanismos subyacentes involucrados en interacciones planta-microorganismo. Este papel describe un protocolo detallado para estudiar la respuesta de transcriptómicos de B. mycoides EC18, una cepa aislada de la endosphere de la patata, a exudados de raíces de papa. Con la ayuda de la reciente tecnología de secuenciación de alto rendimiento, este protocolo puede realizarse en varias semanas y produce enormes conjuntos de datos. En primer lugar, recogemos los exudados de la raíz en condiciones estériles, después de lo cual se agregan a las culturas B. mycoides . El ARN de estas culturas se aísla método de fenol/cloroformo, combinada con un kit comercial y sujeto a control de calidad por un instrumento de electroforesis automatizada. Después de la secuenciación, análisis de datos se realizaron con la tubería T-REx en la web y se identifica un grupo de genes diferencialmente expresados. Este método es una herramienta útil para facilitar nuevos descubrimientos sobre los genes bacterianos implicados en interacciones planta-microorganismo.
Las plantas pueden exudado hasta un 20% del carbono fijado durante la fotosíntesis a través de las raíces en la rizosfera1, es decir, la zona estrecha de tierra cerca de las raíces. Debido a la mayor disponibilidad de nutrientes, la rizosfera es un habitat conveniente para diversos microorganismos, incluyendo bacterias promotoras de crecimiento vegetal. Los exudados de la raíz contienen una gama de compuestos inorgánicos como agua, iones, ácidos inorgánicos y oxígeno. Sin embargo, la mayoría de los exudados de la raíz está formada por materiales orgánicos, que pueden dividirse en compuestos de bajo peso molecular y alto peso molecular compuestos. Los compuestos de bajo peso molecular son aminoácidos, ácidos orgánicos, azúcares, compuestos fenólicos, ácidos grasos y una gran variedad de metabolitos secundarios. Los compuestos de alto peso molecular consisten en mucílagos y proteínas2,3. Microorganismos de la rizosfera pueden utilizar algunos de estos compuestos como fuente de energía para el crecimiento y desarrollo. Los exudados de la raíz juegan un papel importante en la conformación de la comunidad de rizobacterias puesto que los compuestos producidos por la planta en los exudados pueden influir en el comportamiento de las bacterias de rizósfera asociados que afectan a la expresión de genes específicos.
Comprensión de la respuesta bacteriana a los exudados de la raíz es un paso clave en el desciframiento de los mecanismos de interacción planta-microorganismo. Como la respuesta bacteriana a interacciones planta-microorganismo es el producto de la expresión génica diferencial, puede ser estudiada mediante el análisis de transcriptoma. Usando este método, estudios previos identificaron varios genes importantes implicados en interacciones planta-microorganismo. En Pseudomonas aeruginosa, genes implicados en metabolismo, quimiotaxis y tipo de secreción de II han demostrado responder a remolacha raíz exudados4. Fan et al. 5 estudia el perfil transcriptómico de B. amyloliquefaciens FZB42 en respuesta a los exudados de raíces de maíz. Sus resultados muestran que, de los genes fuertemente inducidos por los exudados de la raíz, varios grupos están involucrados en rutas metabólicas relacionadas con la utilización de nutrientes, quimiotaxis, motilidad y síntesis no ribosomal de péptidos antimicrobianos y Policétidos.
La exactitud de estos estudios se basa en la colección de exudados de la raíz. Aunque varios métodos han descrito la colección de exudados de la raíz para diversos propósitos, se requieren instrumentos sofisticados o no se hacen en condiciones bien controladas6,7,8. Además, inhibir la rizosfera microorganismos pueden influir en composición del exudado de raíz afectando la permeabilidad de la membrana de la célula vegetal y daño de los tejidos de la raíz, particularmente en el caso de consorcios de microorganismos9. Al investigar la respuesta microbiana a los exudados de la raíz, es importante utilizar condiciones bien definidas para evitar la alteración de los compuestos por otros microorganismos10. Además, RNA de alta calidad se requiere para RNA-seq basados en estudios de transcriptoma. Sin embargo, cuando se trata con cepas bacterianas de modelo no, los protocolos estándar o kits comerciales suelen tienen un bajo rendimiento debido a factores desconocidos o propiedades de crecimiento especial.
El protocolo descrito aquí se verificó utilizando B. mycoides, que es una bacteria gram-positiva, formadora de esporas del filo Firmicute. Es ubicuo en la rizosfera de diferentes especies de plantas. Varias propiedades promotoras de crecimiento de planta han sido reportadas para esta especie, incluida la inducción de resistencia sistemática (ISR) en remolacha azucarera11, inhibición del damping-off patógeno Pythium pepino12, así como nitrógeno fijación en la rizósfera de girasol13. Sin embargo, los mecanismos moleculares de la interacción con una planta de host no están bien estudiados.
El objetivo de los experimentos aquí presentados es estudiar la respuesta de transcriptómico del endosphere aislado B. mycoides a exudados de raíces de papa. En Resumen, el protocolo consta de los siguientes pasos: en primer lugar, recoger exudados de raíces de papa bajo condiciones estériles. Luego, extraer RNA de alta calidad de las células bacterianas tratadas con exudados de la raíz. El último paso es el análisis de datos uso de tubería de T-REx en la web14. Este protocolo se utiliza para identificar los genes B. mycoides que muestran un cambio en niveles de expresión al entrar en contacto con exudados de la raíz y así podrían desempeñar un papel importante en las interacciones planta-microorganismo.
1. germinación de patatas en condiciones estériles
2. recogida de exudados de raíces de papa
3. bacterias
4. tratamiento y muestreo de bacterias
5. aislamiento de ARN
Nota: Antes de iniciar el aislamiento, preparar la mesa de trabajo, racks y pipetas por limpiarlos con una solución de descontaminación de Rnasa (véase Tabla de materiales). Use guantes en todo momento y asegúrese de que todos los tubos, consejos y soluciones son libres de Rnasa. Siempre mantenga las muestras en hielo siempre que sea posible.
6. secuenciación y control de calidad ARN
7. datos análisis utilizando el tubería en la Web de T-REx
Microorganismos asociados a plantas pueden influir positivamente en crecimiento de las plantas y la salud. Sin embargo, los mecanismos de las interacciones complejas entre las plantas y sus simbiontes microbianos no se entienden completamente. Exudados de la raíz juegan un papel importante en la regulación de la actividad de rizobacterias y comportamiento, y generalmente se postula que la colonización microbiana de raíces inicia con la atracción de los microbios a los exudados de la raíz. El objetivo de este trabajo fue investigar la respuesta transcriptómicos de rizobacterias B. mycoides a exudados de raíces de papa. Para cumplir esto, tubérculos de Papa fueron superficie esterilizada y germinaron en vermiculita esterilizada. Luego se recolectaron los exudados de la raíz como se muestra en la figura 1. Con el fin de descartar la posibilidad de los exudados de la raíz que afectan el crecimiento bacteriano, hasta 15% de los exudados de la raíz fueron agregado a la cultura B. mycoides , y ningún cambio en el crecimiento fue detectada durante el tiempo de medición (figura 2). Así, los cambios de expresión génica observados en este estudio no fueron causados probablemente por los efectos relacionados con el crecimiento.
Después de la recolección, los exudados de la raíz fueron agregados a la cultura B. mycoides a una proporción de 10% (v/v) y el ARN total bacteriano fue aislado como se describió anteriormente. El RNA entonces fue sometido a una verificación de calidad por un instrumento de electroforesis automatizada de la cual los resultados se muestran en la figura 3. Figura 3A y 3B representan el ARN aislado de B. mycoides tratados con los exudados de la raíz, y figura 3 y 3D representan el ARN aislado del grupo de control. Todas las muestras anotaron un valor RIN por encima de 9 con dos bandas claras corresponden a las subunidades de RNA 16S y 23S, demostrando que se obtuvo RNA de alta calidad por este protocolo.
Después de la preparación de la biblioteca, Lee par final se obtuvieron con una plataforma de secuenciación de alto rendimiento. El crudo Lee RNA-Seq fueron recortado de las secuencias de adaptador y asignado contra la secuencia del genoma de referencia. De los datos obtenidos, se generó la tabla RPKM. El análisis del transcriptoma se realizó con la tubería T-REx. La trama de intensidad la relación de todos los genes expresados diferencialmente se muestra en la figura 4. En comparación con un control, la adición de exudados de la raíz de papa inducido 715 genes se expresen diferencialmente. De los, 408 genes fueron alza y 307 genes fueron dando15. El cambio relativo de algunos de los genes con expresión alterada se enumera en la tabla 1.
Figura 1: esquema del proceso de la colección de exudados de raíces de patata. Los materiales utilizados son autoclave y la germinación se realiza en una cámara climática. Lava el tubérculo de la patata con agua esterilizada y baño en 2-3% NaOCl 5 min baño en etanol al 75% por 5 min otro lugar la patata en una canasta de autoclave y ponerlo en un recipiente con vermiculita húmeda. Cultivar la patata en una cámara climática para 3-4 semanas y luego transferir la cesta con la planta de semillero de papa en un vaso. Recoger los exudados de la raíz de todos los días y llenar el vaso con agua esterilizada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: La curva de crecimiento de B. mycoides con diferentes concentraciones de exudados de la raíz de papa. La cepa EC18 fue cultivada en un medio LB líquido con la adición de exudados de raíces de patata o estéril de H2O. OD600 se midió cada 1 h y se representan gráficamente frente al tiempo. Todos los grupos no muestran un patrón de crecimiento similar, indicando que hasta un 15% de la adición de exudados de la raíz tiene ningún efecto significativo sobre el crecimiento de B. mycoides . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: control de calidad de RNA por el instrumento de electroforesis automatizada. A y B representan el ARN aislado de B. mycoides tratados con exudados de la raíz y C y D representan el ARN aislado del grupo de control. Todas las muestras de RNA muestran dos bandas claras corresponden a 23S y 16S rRNA y una banda de rRNA de 5S débil. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Diagrama de intensidad de relación para la visualización de la expresión génica diferencial de las muestras de RNA-seq de B. mycoides en respuesta a los exudados de la raíz de papa. La figura se genera automáticamente por el T-REx. El eje x representa el nivel de expresión del gene, y el eje y representa el cambio de doble log2 transformado. Los genes ser para arriba - y o tienen valores de relación positivos y negativos log2. Los puntos en el área rayado indican genes que no son significativamente sobre - o bajo-expresó. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Etiqueta de gene | Strand | Doble cambio | Anotación |
BG05_RS09165 | + | 3.3 | proteína de multidrug efflux |
BG05_RS20930 | + | 25.3 | proteína de la membrana |
BG05_RS10935 | + | 23.3 | etapa proteína de esporulación III AD |
BG05_RS08990 | - | 11.8 | proteína de esporulación |
BG05_RS16405 | + | 3.9 | Regulador transcripcional familia IclR |
BG05_RS24905 | - | 3 | alfa de la subunidad de triptófano sintasa |
BG05_RS24920 | - | 2.3 | indol-3-glicerol fosfato sintasa |
BG05_RS22255 | - | 27 | Acetohidroxiácido sintasa |
BG05_RS22250 | - | 6.5 | ketol-acid reductoisomerase |
BG05_RS22265 | - | 26.4 | aminoácidos de cadena ramificada aminotransferasa |
BG05_RS18715 | - | 2.8 | pululanasa |
BG05_RS18040 | + | -9.1 | proteína de germinación Jie |
BG05_RS16930 | + | -4.2 | proteína de unión a ATP transportador ABC de azúcar |
BG05_RS27345 | + | -2.9 | Transportador MFS |
BG05_RS19555 | - | -3.3 | Subunidad de transportador de celobiosa PTS IIB |
BG05_RS24345 | - | -2,7 | importador de putrescina |
BG05_RS22525 | - | -12.4 | cardiolipina sintasa |
BG05_RS15225 | - | -3.3 | proteína de la membrana |
BG05_RS18475 | + | -5.7 | proteína de la membrana |
BG05_RS19095 | + | -2.1 | proteína de germinación |
Tabla 1: Lista de genes diferencialmente expresados de un grupo de tratados con exudados de la raíz en comparación con un control.
Han planteado la hipótesis de interacciones planta-microorganismo para ser determinado por un equilibrio finamente sintonizado entre bacterias y plantas. Estas interacciones son muy complejas y difíciles de estudiar en un sistema natural, que comprende diversas especies microbianas, potencialmente actuar como consorcios. Este papel describe un protocolo simplificado para estudiar la respuesta bacteriana a los exudados de la raíz en condiciones bien controladas. El perfil del transcriptoma de rizobacterias, sobre exposición a los exudados de la raíz, proporciona información detallada sobre adaptación bacteriana a la hornacina de la rizosfera. Este protocolo de extracción de exudados de raíz no requiere procedimientos complicados y equipo especializado. Sin embargo, todos los procedimientos deben llevarse a cabo bajo condiciones estrictamente estériles y un control de esterilidad debe incluirse. Recomendamos el crecimiento de varios tubérculos de papa en paralelo y descartar los más contaminados. Modificaciones pueden hacerse en el presente Protocolo si se están estudiando otras especies vegetales. Es importante utilizar un método adecuado para esterilizar cualquier semillas/tubérculos ya que pueden variar en la tolerancia a los desinfectantes aplicados.
Una vez obtenidos los exudados de la raíz, RNA de alta calidad debe ser aislado de las células bacterianas. Diferentes reactivos y protocolos que se basan principalmente en el método de TRIzol o fenol/cloroformo son desperdiciadoras de tiempo16. Los kits comerciales están principalmente diseñados para organismos modelo pero son menos aplicables a los demás. Este protocolo de aislamiento de RNA que combina el método de fenol/cloroformo y un kit de aislamiento de RNA supera las desventajas de estos métodos. Por otra parte, un paso de talón-golpes es para homogeneizar las células B. mycoides que normalmente se agregan en la cultura planctónica. Posible contaminación de ADN se elimina mediante una incubación adicional con DNasa antes de la elución. El alto número RIN implica el aislamiento de ARN intacto. Así, este protocolo es especialmente eficiente y ahorro de tiempo para las cepas bacterianas ambientales.
Después de la secuencia de RNA, análisis de datos se realizaron con T-REx, una tubería de análisis estadístico basado en la web de RNA-seq gene expresión datos14. Esta tubería es fácil de usar, especialmente para los biólogos sin conocimiento extenso de la bioinformática. El archivo de entrada es que el RNA expresión nivel datos brutos, como RPKM, fragmentos por kilobase por millón lecturas asignadas (FPKM), cuenta por millones lecturas asignadas (CPM), u otras unidades de expresión de gene. Tales archivos de valor de expresión génica pueden ser generadas por herramientas disponibles incluyendo SAMtools17, BEDtools18y19de NGS-Trex. Para ejecutar el análisis de RNA-seq, son necesarios otros tres archivos de entrada. Estos archivos se utilizan para definir los factores que describen los experimentos y las repeticiones, las comparaciones entre las diferentes condiciones experimentales y los grupos de genes de interés. Cuando se cargan los archivos de entrada, el proceso de análisis llevará sólo un par de minutos.
Genes diferencialmente expresados varios de B. mycoides EC18, con exudados de la raíz, se enumeran en la tabla 1. Entre ellos, se altera la expresión de varios genes que codifican proteínas de membrana. Genes relacionados con la esporulación o proceso de germinación se expresan diferencialmente. También cambia la expresión de genes implicados en la esporulación en B. subtilis cuando cultivadas conjuntamente con las plántulas de arroz, porque los exudados de la raíz suministran la energía necesaria para el crecimiento dinámico de bacterias células18. La expresión de la IclR regulador transcripcional, que está relacionada con la resistencia del multidrug y la degradación de compuestos aromáticos en bacterias del suelo, es upregulated. La cepa de la canceladura de IclR de rizobacterias Klebsiella pneumoniae ha disminuido la solubilización de fosfato mineral, en comparación con la cepa de tipo salvaje19. Varios genes relacionados con la síntesis y metabolismo de los aminoácidos son estimulados, mientras que los genes implicados en el transporte de azúcar como un transportador de celobiosa PTS son reguladas. Esto sugiere eso tensión EC18 tenga una preferencia metabólica de aminoácidos en azúcares en la rizosfera. La función de los genes alteradas puede ser más estudiado en situ haciendo mutantes knockout o sobreexpresión. En Resumen, el protocolo aquí descrito permite una rápida identificación de un gran número de genes bacterianos potencialmente importantes implicados en interacciones planta-microorganismo.
Los autores declaran que no tienen intereses financieros que compiten.
Agradecemos a Jakob Viel por sus valiosos comentarios y sugerencias. También agradecemos a Anne de Jong por su ayuda en el análisis de la bioinformática. Yanglei Yi y Zhibo Li son apoyados por el Consejo de becas de China (CSC). Agradecemos a NWO-TTW Perspectief Programma Back2Roots (TKI-AF-15510) por su apoyo financiero a OPK.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
sodium hypochlorite | Sigma | CAS: 7681-52-9 | 10-15% active chlorine |
Luria-Bertani (LB) broth | |||
incubater | New Brunswick Scientific | Innova 4000 | |
spectrophotometer | Thermo Fisher Scientific | Genesys 20 | |
liquid nitrogen | |||
glass beads | Sigma | G8893 | 0.5 µm |
2.0 ml tube with screw cap | RNase free | ||
1.5 ml and 2.0 ml eppendorf tube | RNase free | ||
Bead mill homogenizer | BioSpec | 607 | Mini_beadbeater |
centrifuge | Eppendorf | 5430 | |
Diethyl pyrocarbonate (DEPC) | sigma | CAS: 1609-47-8 | |
Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) | sigma | CAS: 151-21-3 | 10% solution prepared with DEPC treated MQ water |
TE buffer | 10 mM Tris-HCl; 1 mM EDTA, pH=8 | ||
phenol | Sigma | RNA grade | |
chloroform-isoamyl alcohol | prepare 24:1 of chloroform:isoamyl alcohol, store at room temperature | ||
High pure RNA isolation kit | Roche | 11828665001 | |
RNase Decontamination Solution | Invitrogen | AM9780 | RNase-Zap |
Automated electrophoresis instrument | Agilent | 2100 | Bioanalyzer |
Microvolume spectrophotometer | Thermo Fisher Scientific | Nanodrop ND-1000 | |
RNA quality analysis kit | Agilent | RNA 6000 Nano kit | |
RNase inhibitor | Thermo Fisher Scientific | RiboLock | |
Directional RNA library Prep kit | NEB | Ultra | For Illumina |
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