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* Estos autores han contribuido por igual
Proporcionamos un protocolo paso a paso para evaluar la resistencia del álamo a los patógenos del cancro del tallo utilizando un método de inoculación de hojas in vivo . Este método es especialmente adecuado para la evaluación a gran escala de la resistencia a la enfermedad del cancro de Cytospora chrysosperma y Botryosphaeria dothidea en la progenie de cría de álamos en China.
Enfermedades del cancro del tallo causadas por el patógeno Cytospora chrysosperma (Pers.) Fr.) y Botryosphaeria dothidea (Moug. ex Fr.) Ces. Son las dos principales enfermedades forestales en las plantaciones de álamos en China, que a veces pueden destruir todas las plántulas de álamo o dañar gravemente los bosques maduros de álamos. El mejoramiento híbrido es el método más directo y eficiente para controlar y manejar las enfermedades de los árboles. Sin embargo, la evaluación de la resistencia a las enfermedades o la selección de clones resistentes a las enfermedades basados en la inoculación in vitro del tallo es ineficiente, requiere mucho tiempo y es costosa, lo que limita el desarrollo de la cría híbrida de la enfermedad del cancro del tallo del álamo. En este estudio, propusimos un método alternativo para evaluar la resistencia de las enfermedades a los patógenos del cancro del tallo a través de la inoculación de hojas in vivo . Los materiales de prueba utilizados en este método pueden estar en árboles jóvenes de álamo de 1 año o en las ramas anuales de álamos perennes en el invernadero o en el campo. El paso crítico de este método alternativo es la selección de las hojas inoculantes: las 5-7hojas recién maduras podrían ser las más adecuadas. El segundo paso crítico del método de inoculación de hojas es hacer heridas en las hojas de las plantas a través de perforaciones con agujas, proporcionando suficientes lesiones para medir la gravedad de la enfermedad. Para el número adecuado de hojas producidas en la etapa temprana de la cría del álamo, esta inoculación in vivo de la hoja contribuye a la detección rápida, precisa y a gran escala de los clones de álamo resistentes a enfermedades para los patógenos del cancro. Además, este método de inoculación de hojas también servirá como un método eficiente para detectar patotipos de patógenos de la enfermedad del cancro del tallo C. chrysosperma, B. dothidea u otros patógenos del cancro del tallo del álamo.
Enfermedades del cancro del tallo del álamo, causadas principalmente por dos patógenos necrótrofos, Cytospora chrysosperma (Pers.) Fr. y Botryosphaeria dothidea (Moug. ex Fr.) Ces. De Not., amenazan severamente el desarrollo y la supervivencia de las plantaciones de álamos en el noreste, norte y noroeste (tres nortes) de China. El mejoramiento híbrido es el método más directo y eficiente para controlar y manejar las enfermedades de los árboles; Sin embargo, en comparación con los avances en la cría de clones híbridos de álamo de alto rendimiento, de crecimiento rápido u otros clones híbridos, la investigación sobre la mejora genética resistente a la enfermedad del cancro del álamo es escasa. Solo se han reportado estudios limitados de mejoramiento híbrido resistente a enfermedades 1,2,3, y no se ha cultivado ningún clon híbrido resistente al cancro en la forestación de álamos.
El paso crucial de la cría regular de híbridos es la selección de clones basada en la adquisición del fenotipo de la progenie híbrida. Sin embargo, la adquisición de fenotipos patológicos (patotipos) es un proceso lento, laborioso, agotador, costoso y dependiente de expertos. Para las plantas leñosas, es más desafiante debido a la naturaleza que consume tiempo, trabajo y economía causada por su largo ciclo de vida, crecimiento lento y cuerpo masivo. Por ejemplo, en álamo, el cribado de la resistencia al cancro de la progenie híbrida se realizó 5-7 años después de la hibridación mediante métodos convencionales de inoculación del tallo in vitro 1,2,3. Además, limitados por este método de cribado resistente a las enfermedades de baja eficiencia y alto consumo, los investigadores volvieron a seleccionar los clones resistentes al cancro de un pequeño subgrupo (por ejemplo, los clones de álamo seleccionados de alto rendimiento o de rápido crecimiento), no de toda la progenie híbrida. Por lo tanto, utilizando los métodos regulares de inoculación del tallo, no es seguro identificar los clones resistentes auténticos y no puede revelar la diversidad resistente a las enfermedades de la progenie reproductora, lo que limita la exploración de genes o módulos genéticos relacionados con la resistencia a las enfermedades. En comparación con el rápido desarrollo del mejoramiento genético de álamo de crecimiento rápido / alto rendimiento, esos programas de mejoramiento pueden obtener híbridos a través de la selección fenotípica o incluso la selección genómica en los primeros dos años de mejoramiento 4, el mejoramiento resistente al cancro del álamose desarrolló lentamente. El cribado (o detección) de la progenie híbrida resistente a las enfermedades, o el método de inoculación de patógenos, se ha convertido en el paso crucial que limita la velocidad en la cría de resistencia a la enfermedad del cancro del álamo.
En este protocolo, introducimos un nuevo método de inoculación para patógenos del cancro del tallo del álamo, el método de inoculación de hojas in vivo . Con este método, podemos probar de manera rápida y eficiente la resistencia a la enfermedad del chancro de docenas de especies de álamos (cultivares o clones) en 5-7 días. El ensayo de validación ilustró que la inoculación in vivo de la hoja es consistente con la inoculación tradicional del tallo in vitro en la detección de resistencia de la enfermedad del cancro del tallo, lo que sugiere que el método de inoculación de la hoja es adecuado para el cribado de la resistencia a gran escala de las enfermedades del cancro del álamo, como la selección completa del genotipo de la progenie de resistencia en la cría de la enfermedad del cancro del tallo. Este método resuelve el problema patológico de la selección de descendientes resistentes en la cría híbrida de enfermedades del cancro del álamo.
1. Cultivo de hongos para el patógeno del cancro
2. Preparación de materiales de álamo
3. Pretratamiento de las hojas de inoculación
4. Inoculación foliar in vivo
5. Adquisición del patopatía foliar y evaluación de la resistencia del álamo a las enfermedades del cancro del tallo en el laboratorio
6. Identificación y análisis estadístico de la incidencia de enfermedades
En este protocolo, el flujo de trabajo esquemático se llevó a cabo en 48 clones híbridos de álamo infectados por el patógeno del cancro del tallo C. chrysosperma (Figura 1). Los clones híbridos de álamo forman parte de la progenie de hibridación de P. deltoides, cultivada en el vivero de la Academia China de Silvicultura (CAF), en Pekín.
El patógeno del cancro del tallo C. chrysosperma aislado CZC es una cepa fúngica típica (con patogenicidad media) utilizada para la investigación fisiológica de la enfermedad del cancro del álamo 6,7,8,9 y depositada en nuestro laboratorio. Los resultados mostraron que la inoculación del patógeno del cancro del tallo C. chrysosperma indujo lesiones necróticas (Figura 2B, C) e incluso estructuras similares a picnidios en hojas de álamo (Figura 2D-F). Además, los resultados también ilustraron que las posiciones de las hojas (o edades de las hojas y ontogenia de las hojas) (Figura 2G-I) y las condiciones de luz de las hojas (Figura 2J-L) influyen en la gravedad de la enfermedad de las hojas inoculadas por el patógeno del cancro del tallo C. chrysosperma aislado de CZC.
La patogenicidad de los inoculantes fúngicos es un factor crucial en el cribado de la resistencia de poblaciones híbridas desconocidas. Sin embargo, ha habido dos puntos de vista opuestos sobre la selección de cepas virulentas en la cría: el uso de la cepa más virulenta10 y las cepas moderadamente virulentas11. En el experimento preliminar de este protocolo, seleccionamos C. chrysosperma para aislar CZC a partir de la detección de patogenicidad de 10 aislados de hongos en álamo híbrido "Bofeng 3". De manera alentadora, los resultados indican que la distribución de los clones de álamo a través de diferentes niveles de resistencia en los 48 clones híbridos de álamo es normal, como lo confirma el análisis de la prueba de Shapiro-Wilk en SPSS, lo que sugiere que este aislado es el favorito para el cribado de resistencia de esta población actual de hibridación de álamo. En la Figura 3A-C se muestran los resultados parciales del cribado de resistencia de 48 clones de álamo. Además, los resultados mostraron que seis aislados del patógeno B. dothidea tienen virulencia diferencial con respecto al álamo híbrido "Bofeng 3", y los aislados SD47 y SD60 son los aislados más virulentos en las cepas fúngicas analizadas (Figura 3D-F), lo que sugiere que el método de inoculación de hojas también se utilizará en el cribado de virulencia del patógeno de la enfermedad del cancro del tallo del álamo.
Figura 1: Un flujo de trabajo esquemático de evaluación de la resistencia al cancro del tallo a través de la inoculación de hojas in vivo en clones de álamo. El patógeno del cancro activado del tallo Cytospora chrysosperma aislado de CZC se cultivó en placas de PDA a 28 °C, en oscuridad, durante 10 días. Luego, el micelio de C. chrysosperma se cortó en cubos cuadrados (1,0-1,2 cm de longitud lateral) y se inoculó en la superficie superior delas hojas 5-7 superiores en árboles jóvenes de álamo de 1 año o álamo de 1 año ramificado en álamos perennes. El lado de las hifas de los cubos de micelio miraba hacia las hojas. Para las hojas pequeñas (ancho de hoja < 8.0 cm), se inocularon dos cubos de micelio en una hoja, mientras que cuatro cubos de micelio se inocularon en las hojas grandes (ancho de hoja ≥ 8.0 cm). Sin embargo, las hojas pequeñas y grandes, diez cubos de micelio y 2 cubos medianos de PDA se inocularon en los árboles jóvenes/ramas. Luego, las hojas inoculadas se envolvieron con cinta protectora de plástico de 6.0-8.0 cm de ancho para fijar los cubos y evitar la pérdida de agua. Las hojas y los cubos se perforaban con agujas para producir sitios hirientes en el centro y los cuatro vértices de los cuadrados. Las hojas inoculadas se cultivaron en el campo/invernadero y se observaron, fotografiaron/escanearon 5-7 días después de la inoculación. Luego, las imágenes se cargaron en el software ImageJ para medir las áreas promedio de las manchas necróticas que se desarrollaron a partir de los sitios de heridas perforadas de cada clon de álamo. Finalmente, se calculó la tasa de incidencia de enfermedad y el índice de enfermedad a partir de las áreas promedio de las manchas necróticas de cada clon de álamo. De acuerdo con el índice de la enfermedad, todos los clones de álamo analizados se dividieron en diferentes grupos de resistencia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Características clásicas de la lesión foliar en el clon híbrido de álamo B246 infectado por el patógeno del cancro C. chrysosperma mediante inoculación foliar. (A) inoculado por inoculantes PDA; (B,C) manchas necróticas; (D-F) manchas necróticas con estructura de picnidios; Las posiciones (G-I) de la hoja inoculada en el árbol joven/ramas de 1 año influyen en la gravedad de la enfermedad del patógeno del cancro del tallo C. chrysosperma en el cultivar híbrido de álamo "Bofeng 3"; Las condiciones de luz (J-L) influyen en la gravedad de la enfermedad en el cultivar de álamo "Bofeng 3". Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Cribado de resistencias y detección de susceptibles. Cribado de resistencia de clones híbridos de álamo (A-C) y detección susceptible de aislados del patógeno Botryosphaeria dothidea en el clon híbrido de álamo (D-F) "Bofeng 3" utilizando el método de inoculación foliar in vivo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Grado de gravedad | Criterios de calificación | Nivel |
Ninguna enfermedad | Sin síntomas, área necrótica de 0 a 2,0 mm² | 0 |
Extremadamente leve | Área necrótica: 2,0–4,0 mm² | 1 |
Enfermedad leve | Área necrótica: 4,0–6,0 mm² | 2 |
Enfermedad moderada | Área necrótica 6,0–8,0 mm² | 3 |
Enfermedad moderadamente grave | Área necrótica: 8,0–10,0 mm² | 4 |
Enfermedad grave | Área necrótica superior a 10,0 mm² | 5 |
Tabla 1: Grado de gravedad de los síntomas necróticos inducidos por patógenos del cancro en las hojas.
Este protocolo proporciona un método de inoculación rápido y eficiente para los patógenos de resistencia al cancro del álamo, que es adecuado para los campos de investigación que requieren el cribado de resistencia a enfermedades a gran escala, como el mejoramiento híbrido de la resistencia al cancro del álamo y el cribado de patogenicidad de los patógenos del cancro del tallo.
El primer punto clave del método es evaluar la resistencia a las enfermedades mediante la inoculación de hojas recién maduras en lugar de tallos/ramas maduras. Como resultado, la selección de clones de resistencia a la enfermedad del cancro del tallo se puede realizar en 1-2 años de la cría del híbrido de álamo cuando se utiliza el método de inoculación de hojas, en comparación con el cribado de resistencia que requiere mucho tiempo en la vía de inoculación del tallo (5-7 años después de la cría), el método de la hoja acorta drásticamente el ciclo de reproducción de la enfermedad del cancro del tallo del álamo. El segundo paso crucial del método de las hojas es la selección de las hojas. La resistencia a enfermedades de las hojas varía con su ontogenia (edades o posición en las ramas), denominada resistencia a la ontogenia foliar asociada a la etapa foliar12,13. Por lo tanto, la correlación de la resistencia de la planta entre las hojas probadas y el tallo/rama es crucial para la eficacia del método de inoculación de hojas. La resistencia a la mancha foliar en las "cinco hojas medias" no está relacionada con la resistencia al cancro del tallo en la interacción híbrida álamo-Septoria 13; sin embargo, el estudio de Wei et al.14 y nuestra investigación ilustraron que la resistencia a las manchas foliares en las hojas superiores recién maduras o en las hojas superiores 5-7son consistentes con la resistencia al cancro del tallo en las interacciones de Malus-V. ceratosperma y álamos-C. chrysosperma. Por lo tanto, el método de inoculación de hojas in vivo se puede utilizar en la cría de álamos del tallo, y las 5-7 hojas superiores son materiales de inoculación disponibles. El tercer punto clave de este método es la producción de suficientes sitios de herida (se recomiendan 30 sitios y 50 sitios en este protocolo) a través de la perforación repetida con aguja después de la inoculación del patógeno, teóricamente, qué sitios de herida se convertirán en 50 puntos necróticos independientes en tres hojas de álamo, lo que proporciona una evaluación más precisa de la resistencia a la enfermedad del cancro en la progenie del álamo. Además, la preservación de la humedad y la selección de las condiciones de luz15 en las hojas son beneficiosas para adquirir una evaluación de resistencia más estable y precisa a las enfermedades del cancro del tallo del álamo.
En este protocolo, se utilizaron como materiales de inoculación tanto plantones de álamo de 1 año (cultivados > 3 meses) como ramas de 1 año (cultivadas > 2 meses) de álamos perennes. Los árboles jóvenes de álamo son ideales para la detección de resistencia a enfermedades porque son más consistentes y fáciles de operar. Por el contrario, la selección de ramas u hojas de álamo (que deben estar libres de plagas, enfermedades y daños mecánicos y tener las mismas condiciones ambientales, como iluminación o sombra) es un desafío.
En comparación con el método tradicional de inoculación del tallo in vitro , el método de inoculación in vivo de la hoja mejora drásticamente la reproducción de la resistencia al cancro del álamo en muchos aspectos: 1) proporciona un método factible de detección de resistencia a enfermedades para el mejoramiento híbrido de las enfermedades del cancro del tallo del álamo. Según nuestra experiencia, un equipo de 3 personas puede realizar la inoculación fúngica de más de 200 clones híbridos de álamo en 1 día y luego obtener los resultados después de 5-7 días. Así, los criadores pueden cribar la resistencia a enfermedades de una gran población híbrida (por ejemplo, 1.000 genotipos) en un corto periodo de tiempo (por ejemplo, 1 mes) mediante la colaboración de 3-6 personas. 2) El método de inoculación de hojas adelanta significativamente el tiempo de la primera selección para los clones resistentes al cancro (de 5-7 años a 1-2 años después de la cría), lo que beneficia la selección temprana y la selección de clones resistentes al cancro del tallo. 3) Utilizando el método de inoculación de hojas, los investigadores pueden revelar en profundidad la estructura y diversidad de resistencia de toda la progenie híbrida y obtener clones de resistencia candidatos para la producción o la cría. 4) Además, combinado con la tecnología de secuenciación de alto rendimiento, el método de inoculación de hojas beneficia la extracción de genes relacionados con la resistencia y módulos genéticos4y puede utilizarse en la mejora genética de resistencia a enfermedades del álamo basada en la tecnología de selección genómica (GS)4. Finalmente, para la producción continua de las 5-7hojas superiores durante la temporada de crecimiento del álamo, los criadores pueden evaluar la resistencia del álamo a diferentes cepas de patógenos o patógenos de diferentes enfermedades; luego, el método de inoculación de hojas también proporciona una vía factible para el mejoramiento multiproyectivo de álamo, por ejemplo, obtener clones híbridos que resistan simultáneamente las enfermedades del cancro de C. chrysosperma y B. dothidea . Sin embargo, cabe señalar que el método de inoculación de hojas se desarrolló a partir del cribado de la resistencia al cancro en una progenie híbrida de álamo relativamente pequeña (48 genotipos). Luego, como estrategia crítica para el mejoramiento de la resistencia al cancro del álamo, la efectividad de este método aún necesita una validación más sólida de una población más grande de híbridos de álamo o plantaciones de álamo cultivadas.
Este protocolo contribuirá al desarrollo de la cría de híbridos de enfermedades del cancro del álamo (por ejemplo, enfermedades de Cytospora, Botryosphaeria y Septoria ), proporcionando clones híbridos de álamo resistentes en la forestación de álamos en China y América del Norte. Además, este protocolo contribuirá a nuestra comprensión de la patogenicidad de las enfermedades del cancro del tallo, facilitará los ensayos genéticos y la minería de genes, y mejorará el desarrollo de la mejora molecular del álamo. Además, el método de inoculación de hojas también implica un método de evaluación preciso y estable para detectar la susceptibilidad de los patógenos del cancro y determinar los genes relacionados con la patogenicidad de los hongos.
Los autores no tienen nada que revelar.
Esta investigación fue financiada conjuntamente por el Fondo de Investigación Basal de la Institución Científica Central de Interés Público del Laboratorio Estatal Clave de Genética y Mejoramiento de Árboles (subvención número CAFYBB2020ZY001-2) y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (subvención número 32171776) a Jiaping Zhao.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Aluminum foil | Biosharp | BS-QT-027B | |
C. chrysosperma isolate | China Forestry Culture Collection Center | CFCC86775 | Separation and preservation by our laboratory |
Cytospora chrysosperma | Plant Physiology Laboratory, Institute of Forestry New Technology, Chinese Academy of Forestry | NCBI accession number: MK994101 for rRNA-ITS and MN025273 for EF1α gene CGMCC number:40575 | Separation and preservation by our laboratory |
Epson Perfection V370 Photo | Epson | V370 | Scanner; Scan the leaves into image |
PDA (Potato Dextrose Agar) | Solarbio | P8931 | Provide nutrition for fungal growth |
PE plastic film | To fix fungi on the leaves | ||
Populus alba var. Pyramidalis | Plant Physiology Laboratory, Institute of Forestry New Technology, Chinese Academy of Forestry | Cultivated by our laboratory | |
SPSS | IBM | Data analysis software | |
Thermostatic incubator | Shanghai Kuntian Laboratory Instrument Co., Ltd | KTD-6000 | Provide an environment for fungal growth |
Tough TG-6 camera | OLYMPUS | To take photos of diseased leaves |
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