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MPB:东林牛犇组玉米根系简化细菌群落的定量与其生物防治效果的评价方法(视频)

宏基因组 宏基因组 2023-08-18

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玉米根系简化细菌群落的定量与其生物防治效果的评价方法

Quantification of the Composition Dynamics of a Maize Root-associated Simplified Bacterial Community and Evaluation of Its Biological Control Effect

董颖1, #,焦朕1, #,郑小琪2,沈博1刘悦1,贾洪柏1,李晓岩1

牛犇1, *Roberto Kolter3


1林木遗传育种国家重点实验室,生命科学学院,东北林业大学,哈尔滨,黑龙江

2数学系,上海师范大学,上海市;

3 Department of Microbiology and Immunobiology, Harvard Medical School, Boston, MA 02115

*通讯作者邮箱ben_niu@nefu.edu.cn

#共同第一作者/同等贡献


摘要: 植物共生微生物群落的组装机制与其生物学功能是植物微生物组领域的重要研究内容。在前期的研究中,我们在玉米根表构建了一个由分别属于寡养单胞菌属、苍白杆菌属、短小杆菌属、肠杆菌属、金黄杆菌属、草螺菌属以及假单胞菌属的7株细菌组成的简化且能够代表玉米根系微生物组的模式细菌群落。本文将描述利用该模式细菌群落研究微生物种间互作在根系微生物组组装中的作用与根系微生物组对寄主健康的有益功能的实验操作流程。该流程可简要归纳为:采用针对各细菌菌株的特异性选择培养基监测模式细菌群落组成结构的动态变化,分析细菌种间互作对群落组装的影响;通过比较病原真菌轮枝镰刀菌在接种与未接种模式细菌群落的玉米种子表面的生长以及由该病原菌引起的玉米苗枯病的严重程度,评价模式细菌群落防治植物病害的效果。

关键词玉米,合成菌群,选择培养基,动态变化,群落组装和生物防治


材料与试剂

一、耗材

1.一次性培养皿(VWR,目录号:89022-320

2.移液枪枪头(Corning,Axygen®,目录号:T1005WBCRS;Biotix,目录号:M-0200-1RCNS)

3.封口膜(VWR,目录号:52858-000)(制造商:Bemis,目录号:PM996

4.接种环Globe Scientific,目录号130118

5.2.0 ml离心管康宁Axygen®,目录号:MCT-200-C-S

6.1.5 ml离心管VWR,目录号:20170-038

7.50 ml离心管Corning,目录号:352098)

8.手术刀片Integra LifeSciences,目录号:4-110

9.玻璃珠Propper,目录号:03000600

10.纸巾(KCWWKimberly-Clark,目录号:34155)

11.96孔板Corning,目录号:351172

12.细胞刮(VWR,目录号:89260-222)

13.方形平板(Thermo Fisher Scientific,Nunc,目录号:242811

14.移液管(Gilson,型号:P20P200P1000,目录号:F123600F123601F123602;Thermo Fisher Scientific,型号:F1-ClipTipTM,目录号:4661140N4661130N


二、植物

玉米 cv. Sugar Buns F1se+)(Johnny’s Selected Seeds,目录号:267


三、细菌菌株

嗜麦芽寡养单胞菌(Stenotrophomonas maltophiliaZK5342,垂体苍白杆菌(Ochrobactrum pituitosumZK5343极小短小杆菌(Curtobacterium pusillumZK5344路德维希肠杆菌(Enterobacter ludwigiiZK5345产吲哚金黄杆菌(Chryseobacterium indologenesZK5346,弗里辛恩斯草螺菌(Herbaspirillum frisingenseZK5347恶臭假单胞菌(Pseudomonas putidaZK5348Niu et al., 2017; Niu and Kolter, 2017)


四、真菌菌株

轮枝镰刀菌(Fusarium verticillioidesMRC826Hinton and Bacon, 1995


五、化学试剂

1.乙醇Decon Labs目录号V1001

2.次氯酸钠溶液(Janitorial SuppliesClorox® 95目录号CLO30966CT

3.BactoTM 胰蛋白胨大豆肉汤培养基(不含葡萄糖)BD目录号286220

4.大豆酪蛋白消化琼脂HiMedia Laboratories,目录号GM290-500G

5.琼脂BD,目录号214010

6.10× 磷酸盐缓冲盐PBS)(Lonza目录号17-517Q

7.MurashigeSkoog基础盐混合物(MS)Sigma-Aldrich,目录号M5524-50L

8.萘啶酸Sigma-Aldrich,目录号N8878-5G

9.粘菌素Sigma-Aldrich,目录号C4461-100MG

10.林可霉素(Sigma-Aldrich,目录号:62143-1G)

11.金霉素Solarbio,目录号C4881-5G

12.红霉素(Sigma-Aldrich,目录号:E5389-1G)

13.万古霉素(Sigma-Aldrich,目录号:75423-5VL)

14.氯化钠VWR,目录号BDH9286-500G

15.新生霉素(Sigma-Aldrich,目录号:N1628-1G)

16.妥布霉素(Sigma-Aldrich,目录号:T4014-100MG)

17.葡萄糖(VWR,目录号:BDH9230-500G)


仪器设备

1.镊子

2.生物安全柜Thermo Fisher Scientific,型号:HerasafeTM KS9

3.离心机Eppendorf,型号:5424

4.旋混合器Scientific Industries,型号:Vortex-genie2,目录号:G560

5.分光光度计Beckman Coulter,型号:DU 640

6.超声波细胞破碎仪Qsonica,型号:Q125,目录号:Q125-110)

7.天平Mettler-Toledo International,目录号:AG135

8.细胞计数板Hausser Scientific,目录号:1492

9.显微镜ZEISS,型号:Axioscop 2 plus

10.体视显微镜ZEISS,型号:Stemi SV 6


软件和数据库

1.RStudio(version 0.99.903)

2.QIIME(version 1.6.0

3.PRISM(version 6.0c)


实验步骤

一、玉米种子的表面灭菌与萌发

1.挑选10健康的完整玉米种子,用镊子放在培养皿(直径9厘米)中1A

2.浸泡种子70%v/v酒精3 min后倒掉乙醇。

3.浸泡种子于5% (有效氯含量,v/v)的次氯酸钠溶液3 min后倒掉次氯酸钠溶液

4.用无菌蒸馏水冲洗种子3次。

5.吸取第三次冲洗250 µl涂布于蛋白胨大豆琼脂TSA)平板上,检查种子是否污染

6.TSA平板置于30 °C过夜培养

7.如果TSA板上没有出现微生物菌落,则继续进行后续步骤,否则,丢弃玉米种子,并重复步骤16,直到TSA平板上没有菌落长出

8.除去培养皿中蒸馏水。

9.放置玉米种子并向培养皿中加入7 ml无菌蒸馏水1B

10.有种子的培养皿放置30 °C的黑暗环境中。

11.培养24 h后,从培养皿中取出250 µl水,并涂布TSA平板上,以检查种子是否污染。

12.TSA平板置于30 °C培养

13. 如果TSA平板上没有出现微生物菌落,则继续进行后续步骤,否则,丢弃玉米种子,并重复步骤112,直到TSA平板上没有菌落长出。

14.除去培养皿中的水,并补充7 ml无菌蒸馏水。

15.将培养皿放回30°C黑暗环境中继续培养。

16.总共培养50至55 h后,选择已发芽的且根长为1-2 cm的玉米种子(图1C),进行后续步骤。

注意:在生物安全柜中进行步骤216


二、接种细菌群落玉米幼苗

1.7株细菌(S. maltophilia ZK5342O. pituitosum ZK5343C. pusillum ZK5344E. ludwigii ZK5345C. indologenes ZK5346H. frisingense ZK5347P. putida ZK5348)划线接种于0.1× TSA平板上,30 °C培养24-48 h

2.挑取每个菌株的单菌落,并接种于5 ml胰蛋白大豆肉汤培养基(TSB中,30 °C120 rpm过夜

3.吸取每个菌株过夜培养50 µl,并接至5 ml新鲜的TSB培养基中,30 °C摇培8 h

4.4 °C2,940 × g离心10 min,收集菌体至2 ml离心管中

5.将收集的菌体悬浮于1× 磷酸盐缓冲PBS)中,并将各菌株的悬浮液稀释至每毫升108菌体(表1)。 


1. 各菌株108个菌体/ml的悬浮液对应的的OD600

菌株

OD600

S. maltophilia ZK5342

0.13

O. pituitosum ZK5343

0.25

C. pusillum ZK5344

0.11

E. ludwigii ZK5345

0.17

C. indologenes ZK5346

0.13

H. frisingense ZK5347

0.08

P. putida ZK5348

0.27


6.将各菌株的悬浮液等体积混合于50 ml离心管中,制备多菌株悬浮液(表2

2.菌株悬浮液的菌株组成

菌株

菌悬

1

菌悬

2

菌悬

3

菌悬液4

菌悬液5

菌悬液6

菌悬液7

菌悬液8

S. maltophilia ZK5342

×

O. pituitosum ZK5343

×

C. pusillum ZK5344

×

E. ludwigii ZK5345

×

C. indologenes ZK5346

×

H. frisingense ZK5347

×

P. putida ZK5348

×


注:“√”表示多菌株悬浮液中包含该菌株,“×”表示多菌株悬浮液中不包含该菌株。

7.室温下,将不超过30粒经表面灭菌且萌发的玉米种子(初生根长度为1-2 cm)浸泡在盛于培养皿中的30 ml多菌株悬浮液中,静置0.5-1 h。

8.拨动种子,确保初生根完全浸没于菌悬液中。将另外10粒表面灭菌且萌发的玉米种子浸泡于PBS缓冲液中0.5-1.0 h,作为对照。

9.用无菌镊子将接种细菌的种子和无菌种子分别转移至盛于玻璃试管(16 x 150 mm)中的20 ml ½ Murashige and SkoogMS)琼脂(0.8%)培养基上,并用镊子轻轻按压种子,将初生根插入琼脂中(图1E)。用同样大小的无菌空玻璃试管口对口将装有玉米种子的试管封闭,使用封口膜将两试管连接并固定(图2A)。

1.玉米种子。A. 干种子;B. 表面灭菌后的种子;C. 表面灭菌且萌发的种子;D. 将表面灭菌且萌发的种子浸泡在盛于培养皿中的多菌株悬浮液中;E. 在½ Murashige and Skoog琼脂培养基中放置的种子。比例尺 = 1 cm。


图2.玉米无菌苗的生长。A.双试管生长室。采用封口膜将两个玻璃试管连接并固定。B.在双试管生长室中生长的不同苗龄的无菌苗。这个装置内的气体应该与外界会有气体交换。该密闭环境能够允许玉米幼苗在无菌条件下健康生长至少15天。


10.将玉米幼苗置于25 °C,相对湿度54%,光照16 h/黑暗8 h,光源的照度4,000 lx 的条件下连续培养15

注意生物安全柜中或靠近火焰处进行步骤1至9


三、玉米根系细菌群落组成的定量

观看视频1,了解步骤2至7的详细信息


1.在接种细菌群落17菌株群落和76菌株群落)后的第5天、第10天和第15从接种每个群落的处理中分别选取3-5株玉米幼苗样品。

2.使用无菌手术刀片(视频1)切玉米幼苗

3.采用无1× PBS缓冲液快速冲洗根系样品,去除附着在根表面琼脂。

4.使用无菌手术刀片切取1 cm长的初生根片段。

5.使用无菌手术刀片切除上的侧根。

6.使用两个无菌的200 µl枪头将根段转移至1.5 ml离心管中。

7.6个玻璃珠(直径3 mm)放入试管中,加入1 ml无菌1× PBS缓冲液。


观看视频2了解步骤1016的详细信息


8.超声波震荡1 min(振幅:30%;脉冲:01 s01 s;时间:30 s),洗脱定殖于根表面的细菌,然后涡旋震荡1 min

9.重复步骤8两次后,将离心管在冰上放置1 min

10.96孔细胞培养板的1列,8个孔,分别180 µl无菌1× PBS缓冲液(视频2)。

视频1、2链接均附在文末

11.吸取步骤9中获得的细菌悬浮液20 µl,加入第一个孔内,使用移液器反复吸吐混匀。

12.使用镊子取出,吸水纸擦干,在天平上称,记录根

13.依次20 µl细菌悬浮液从第一个孔转移第八个孔内使用移液器反复吸吐混匀后,获得10108菌悬液稀释液。

14.使用排枪从每个孔中吸取10 µl菌悬液,并滴加在0.1× TSA选择平板(表3)上,每种平板上滴加3次。


3. 选择培养基的添加物与各菌株的培养时间

菌株

0.1 × TSA添加物

培养

时间

S. maltophilia ZK5342

60 µg/ml 新生霉素 + 1 μg/ml 妥布霉素

36h

O. pituitosum ZK5343

4 µg/ml 菌素 + 5 µg/ml 红霉素 + 14 µg/ml 万古霉素

36h

C. pusillum ZK5344

10 µg/ml 萘啶酸 + 4 μg/ml 菌素 + 3.54% wt/vol NaCl

60h

E. ludwigii ZK5345

5 µg/ml 红霉素 + 7.14% wt/vol NaCl

60h

C. indologenes ZK5346

13 μg/ml 金霉素 + 8 µg/ml 粘菌素 + 2.5 µg/ml 萘啶酸

36h

H. frisingense ZK5347

10 μg/ml 萘啶酸 + 4 μg/ml 菌素 + 100 µg/ml 林可霉素

36h

P. putida ZK5348

5 μg/ml 萘啶酸 + 5 μg/ml 红霉素

16h


15.倾斜平板,使菌悬液一个方向移动,将菌体分散在平板表面。

16.于生物安全柜中,将接种了细菌的选择0.1× TSA平板晾干

17.30 °C黑暗条件下,培养1660 h(表2)。

18.统计并记录选择性平板上菌落形成单CFU的数量3A

19.使用10200之间的CFU3B计算细菌含菌量


图3.模式细菌群落中各菌株的菌落。A. 生长在普通与选择性0.1× TSA平板上的7个细菌菌株的菌落形态。“P”和“S”分别代表普通0.1× TSA平板与选择性0.1× TSA平板。B. 在选择性0.1×TSA平板上生长的垂体苍白杆菌。从左到右,依次接种10410310210倍菌悬液稀释后长出的细菌菌落。方框标记的区域中的CFU(菌落形成单位)数量适合用于细菌的定量。


20.计算群落中各菌株的相对含量

20.1生物安全柜中近火焰处进行步骤216

20.2观看视频1,了解步骤27的详细信息。

20.3观看视频2,了解步骤1016的详细信息。


四、模式细菌群落防治玉米苗枯病效果的检测

注意:在超净工作台内或靠近火焰处进行步骤110

1.将直径为0.5 cm的轮枝镰刀菌(Fusarium verticillioides MRC826菌饼置于马铃薯葡萄糖琼脂PDA平板中心,28 °C培养7天,直到菌丝覆盖整个平板。

2.20 ml的无菌1× PBS缓冲液入生长PDA平板上的轮枝镰刀菌菌落中。

3.使用细胞刮刀收获新鲜的真菌孢子。

4.用八层无菌纱布过滤真菌孢子悬浮液。

5.稀释孢子悬浮液,并在显微镜下使用血计数器对孢子计数。

6.使用0.01%vol/vol)的无菌吐温20悬浮液的浓度调整至每毫升108个孢子,并储存4 °C。

7.使用无菌1× PBS缓冲液稀释悬浮液至每毫升约106个孢子

8.将真菌孢子涂布于盛有20 ml 2.25%wt/vol水琼脂的平板上(~103 CFU/cm2

9.10经表面灭菌的玉米种子(图1B分别置于30 ml 7菌株悬浮液、各单一菌株悬浮液、或者大肠杆菌DH5α悬浮液中浸泡0.51.0 h另外,10经表面灭菌的种子浸泡30 ml的无菌1× PBS0.51.0 h,作对照。

10.用无菌镊子将玉米种子放在水琼脂平板上。

11.平板置于23 °C黑暗条件下10天。

12.每天统计并记录各处理中表面观察到真菌菌丝的种子数图4A),根据以下公式计算真菌定

13.分别在接种后的第4天10天,使显微镜拍摄每种子表面的真菌菌丝图4B

图4. 接种模式细菌群落与轮枝镰刀菌的玉米幼苗A. 在涂布真菌孢子的水琼脂上生长10天的接种细菌群落的玉米幼苗。琼脂上的白色斑点是由真菌孢子发育而成的真菌菌落。B. 放大的玉米种子,如黄色虚线所示。白色毛状物是定殖于种子表面的真菌菌丝(比例尺= 2 mm


14.接种后第10天,调查各处理玉米苗枯病严重程度,参考前期研究中确定的病害等级Niu, 2017,根据公式Sherwood and Hagedorn, 1958计算病害严重度指数

病害等级如下:

0级:籽粒表面无可见真菌菌丝生长,根部无病斑;

1籽粒表面无可见真菌菌丝生长,根部出现棕褐色病斑;

2籽粒表面被真菌菌丝部分覆盖,且根部出现棕褐色病

3籽粒表面被真菌菌丝部分覆盖,且根部出现棕褐色至色病

4籽粒表面被真菌菌丝完全覆盖,且根部出现棕褐色至褐色的病

5籽粒表面被真菌菌丝完全覆盖,且根部出现棕红色病Niu et al., 2017)。


数据分析

根据每个菌株的相对含量,通过使用RStudioVegan”软件包version0.99.903)计算Bray-Curtis(BC)距离。使用“gplots中的hclust功能,通过层次聚类,生成相异矩阵应的聚类树状图。采用QIIMEversion 1.6.0计算接种6菌株混合菌悬液的玉米根表细菌群落与接种7菌株混合菌悬液的根表细菌群落之间的BC距离。采用Fishers LSD检验(PRISM,version6.0c)进行以下比较:1每株植物的6菌株群落与7菌株群落之间的BC距离2)单独采用F. verticillioides处理F. verticillioides与模式细菌群落共同处理F. verticillioides分别与各菌株共同处理,以及F. verticillioides与大肠DH5α共同处理的玉米幼苗的真菌定与病害严重指数。


溶液配方

1.蛋白胨大豆琼脂培养基

20 g胰蛋白胨大豆琼脂 (HiMedia Laboratories)

1,000 ml蒸馏水

121 °C高压灭菌20 min

2.0.1× 胰蛋白胨大豆琼脂培养基

1.38 g胰蛋白大豆肉汤(不含葡萄糖)(BD

7.5 g琼脂BD

500 ml蒸馏水

121 °C高压灭菌20 min

3.胰蛋白胨大豆肉汤培养基

13.75 g胰蛋白胨大豆肉汤(不含葡萄糖)BD

1,000 ml蒸馏水

121 °C高压灭菌20 min

4.1× 磷酸盐缓冲(PBS)

100 ml不含钙或镁的PBS(10×)(Lonza)

900 ml蒸馏水

121 °C高压灭菌20 min

5.½ MurAshigeSkoog(MS琼脂培养基

2.15 g Murashige和Skoog基础盐混合物(Sigma-Aldrich

4 g琼脂(BD)

500 ml蒸馏水

121 °C高压灭菌20 min

6.S. maltophilia ZK5342选择培养基

1.38 g胰蛋白大豆肉汤(不含葡萄糖)(BD

7.5 g琼脂(BD

500 ml蒸馏水

121 °C高压灭菌20 min

将灭菌后的培养基冷却至60 °C加入300 µl新生霉素(Sigma-Aldrich100 mg/ml)和12.8 µl妥布霉素Sigma-Aldrich(39.1 mg/ ml

7.O. pituitosum ZK5343的选择培养基

1.38 g胰蛋白大豆肉汤(不含葡萄糖)(BD

7.5 g琼脂BD

500 ml蒸馏水

121 °C高压灭菌20 min

将灭菌后的培养基冷却至60 °C加入200 µl粘菌素(Sigma-Aldrich)(10 mg/ml)125 µl红霉素Sigma-Aldrich)(20 mg/ml)70 µl万古霉素Sigma-Aldrich100 mg/ml

8.C. pusillum ZK5344选择培养基

1.38 g胰蛋白大豆肉汤(不含葡萄糖)(BD

7.5 g琼脂BD

500 ml蒸馏水

121 °C高压灭菌20 min

将灭菌后的培养基冷却至60 °C加入1,132 µl萘啶酸 (Sigma- Aldrich)(5 mg/ml)226.4 µl粘菌素(Sigma-Aldrich)(10 mg/ml)66 ml NaClVWR International)(30%,wt/vol

9.E. ludwigii ZK5345选择培养基

1.38 g胰蛋白大豆肉汤(不含葡萄糖)(BD

7.5 g琼脂BD

500 ml蒸馏水

121 °C高压灭菌20 min

将灭菌后的培养基冷却至60 °C加入163.77 µl红霉素Sigma-Aldrich)(20 mg/ml)155.07 ml NaClVWR International)(30%,wt/vol

10.C. indologenes ZK5346选择培养基

1.38 g胰蛋白大豆肉汤(不含葡萄糖)(BD

7.5 g琼脂BD

500 ml蒸馏水

121 °C高压灭菌20 min

将灭菌后的培养基冷却到60 °C加入650 µl金霉素Solarbio)(10 mg/ml)、400 µl粘菌素Sigma-Aldrich)(10 mg/ml250 µl 萘啶酸Sigma-Aldrich(5 mg/ml)

11.H. frisingense ZK5347选择培养基

1.38 g胰蛋白大豆肉汤(不含葡萄糖)(BD

7.5 g琼脂BD

500 ml蒸馏水

121 °C高压灭菌20 min

将灭菌后的培养基冷却至60 °C加入1,000 µl萘啶酸(Sigma-Aldrich)(5 mg/ml)200 µl粘菌素(SigmA-Aldrich)(10 mg/ml)1,000 µl林可霉素Sigma-Aldrich)(50 mg/ml)

12.P. putida ZK5348选择培养基

1.38 g胰蛋白大豆肉汤(不含葡萄糖)(BD

7.5 g琼脂BD

500 ml蒸馏水

121 °C高压灭菌20 min

将灭菌后的培养基冷却到60 °C左右后,加入500 µl萘啶酸(Sigma-Aldrich)(5 mg/ml)125 µl红霉素Sigma-Aldrich20 mg/ml

13.马铃薯葡萄糖琼脂培养基

200 g马铃薯提取物

17 g琼脂BD

20 g葡萄糖VWR International)

1,000 ml蒸馏水

115 °C高压灭菌20 min

14.水琼脂培养基

11.25 g琼脂(BD)

500 ml蒸馏水

121 °C高压灭菌20 min


致谢

感谢Charles Bacon博士馈赠轮枝镰刀菌菌株Fusarium verticillioides。感谢Kolter实验室成员提供的宝贵建议。本项工作得到了国家自然科学基金31801785、黑龙江省自然科学基金YQ2019C002、美国卫生部项目GM58213、中央高校基本科研业务费专项资金项目2572018BD05东北林业大学引进人才科研启动经费项目JQ2017-02的资助。本实验流程基于已发表的论文 (Niu and Kolter, 2017; Niu et al., 2017) 撰写。


参考文献


1.Hinton, D. M. and Bacon, C. W. (1995). Enterobacter cloacae is an endophytic symbiont of corn. Mycopathologia 129(2): 117-125.

2.Niu, B. and Kolter, R. (2017). Complete genome sequences of seven strains somposing a model cacterial community of maize roots. Genome Announc 5(36).

3.Niu, B., Paulson, J. N., Zheng, X. and Kolter, R. (2017). Simplified and representative bacterial community of maize roots. Proc Natl Acad Sci U S A 114(12): E2450-E2459.

4.Sherwood, R. and Hagedorn, D. J. (1958). Determining common root rot rotential of rea fields. Agricultural Experiment Station, University of Wisconsin, Madison, WI.


请通过以下链接下载视频1,视频2:

视频1:

https://os.bio-protocol.org/doc/upprotocol/p3399/Abstract3399_20200723070734209/Video%201.mov

视频2:

https://os.bio-protocol.org/doc/upprotocol/p3399/Abstract3399_20200723070734561/Video%202.mov

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