Tree Lab: Portable genomics for Early Detection of Plant Viruses and Pests in Sub-Saharan Africa.

تري لاب: علم الجينوم المحمول للكشف المبكر عن الفيروسات والآفات النباتية في إفريقيا جنوب الصحراء الكبرى.

Tree Lab : Génomique portable pour la détection précoce des virus et des ravageurs des plantes en Afrique subsaharienne.

Tree Lab：用于撒哈拉以南非洲植物病毒与害虫早期检测的便携式基因组学。

Clicks: 387
ID: 17147
2019
Article Quality & Performance Metrics
Overall Quality
Not rated
Combines reader engagement with the AI quality analysis. This article has not been analysed, so there is no overall score — reader engagement is measured and shown alongside.
AI Quality Assessment
Not analyzed
Readership in this journal
Steady

Ranked #14 of 80 articles by views in genes

Most read Least read

Bar heights use a square-root scale.

Mint this article as an NFT
Not yet minted

Create a permanent, verifiable on-chain record of this article on the Scimatic Network. The NFT is held in your Journament account, and you can withdraw it to your own wallet at any time.

5 SUSD one-off · no wallet required
Sign in to mint
Abstract
In this case study we successfully teamed the PDQeX DNA purification technology developed by MicroGEM, New Zealand, with the MinION and MinIT mobile sequencing devices developed by Oxford Nanopore Technologies to produce an effective point-of-need field diagnostic system. The PDQeX extracts DNA using a cocktail of thermophilic proteinases and cell wall-degrading enzymes, thermo-responsive extractor cartridges and a temperature control unit. This closed system delivers purified DNA with no cross-contamination. The MinIT is a newly released data processing unit that converts MinION raw signal output into nucleotide base called data locally in real-time, removing the need for high-specification computers and large file transfers from the field. All three devices are battery powered with an exceptionally small footprint that facilitates transport and setup. To evaluate and validate capability of the system for unbiased pathogen identification by real-time sequencing in a farmer's field setting, we analysed samples collected from cassava plants grown by subsistence farmers in three sub-Sahara African countries (Tanzania, Uganda and Kenya). A range of viral pathogens, all with similar symptoms, greatly reduce yield or destroy cassava crops. Eight hundred (800) million people worldwide depend on cassava for food and yearly income, and viral diseases are a significant constraint to its production. Early pathogen detection at a molecular level has great potential to rescue crops within a single growing season by providing results that inform decisions on disease management, use of appropriate virus-resistant or replacement planting. This case study presented conditions of working in-field with limited or no access to mains power, laboratory infrastructure, Internet connectivity and highly variable ambient temperature. An additional challenge is that, generally, plant material contains inhibitors of downstream molecular processes making effective DNA purification critical. We successfully undertook real-time on-farm genome sequencing of samples collected from cassava plants on three farms, one in each country. Cassava mosaic begomoviruses were detected by sequencing leaf, stem, tuber and insect samples. The entire process, from arrival on farm to diagnosis, including sample collection, processing and provisional sequencing results was complete in under 3 h. The need for accurate, rapid and on-site diagnosis grows as globalized human activity accelerates. This technical breakthrough has applications that are relevant to human and animal health, environmental management and conservation.
في دراسة الحالة هذه، نجحنا في المواءمة بين تقنية تنقية الحمض النووي (PDQeX) التي طورتها شركة MicroGEM النيوزيلندية، وجهازي التسلسل المحمولين MinION وMinIT اللذين طورتهما شركة Oxford Nanopore Technologies، لإنتاج نظام تشخيص ميداني فعال في موقع الحاجة (point-of-need). يستخلص نظام PDQeX الحمض النووي باستخدام مزيج من إنزيمات البروتياز المحبة للحرارة والإنزيمات المفككة للجدر الخلوية، وخراطيش استخلاص مستجيبة للحرارة، ووحدة للتحكم في درجات الحرارة. ويوفر هذا النظام المغلق حمضًا نوويًا منقى دون حدوث تلوث تبادلي. ويُعد جهاز MinIT وحدة معالجة بيانات صدرت حديثًا، تعمل على تحويل مخرجات الإشارات الأولية لجهاز MinION إلى بيانات تسلسل القواعد النيتروجينية (base calling) محليًا وفي الوقت الحقيقي، مما يلغي الحاجة إلى حواسيب ذات مواصفات متقدمة ونقل ملفات ضخمة من الميدان. وتعمل الأجهزة الثلاثة بالبطارية، كما تتميز بصغر حجمها الاستثنائي، مما يسهل نقلها وإعدادها. ولتقييم قدرة النظام والتحقق من كفاءته في التحديد غير المتحيز لمسببات الأمراض عبر التسلسل الجيني في الوقت الحقيقي ضمن بيئة حقول المزارعين، حللنا عينات جُمعت من نباتات الكسافا التي يزرعها مزارعو الكفاف في ثلاث دول في إفريقيا جنوب الصحراء (تنزانيا وأوغندا وكينيا). وتتسبب مجموعة من مسببات الأمراض الفيروسية، التي تُظهر جميعها أعراضًا متشابهة، في تقليص المحصول بدرجة كبيرة أو تدمير محاصيل الكسافا بالكامل. يعتمد ثمانمائة (800) مليون شخص حول العالم على الكسافا كمصدر للغذاء والدخل السنوي، وتُشكل الأمراض الفيروسية عائقًا رئيسيًا أمام إنتاجها. ويمتلك الكشف المبكر عن مسببات الأمراض على المستوى الجزيئي إمكانات هائلة لإنقاذ المحاصيل خلال موسم نمو واحد، من خلال تقديم نتائج تسهم في اتخاذ القرارات المتعلقة بإدارة الأمراض، واستخدام النباتات المناسبة المقاومة للفيروسات أو استبدال الزراعات. وعرضت دراسة الحالة هذه ظروف العمل الميداني في ظل انعدام أو محدودية الوصول إلى شبكة الكهرباء العامة، والبنية التحتية المختبرية، والاتصال بالإنترنت، فضلاً عن درجات الحرارة المحيطة شديدة التغير. وتمثل أحد التحديات الإضافية في احتواء المواد النباتية، عمومًا، على مثبطات للعمليات الجزيئية اللاحقة، مما يجعل التنقية الفعالة للحمض النووي أمرًا حاسمًا. وقد نجحنا في إجراء تسلسل جينومي في الوقت الحقيقي داخل الحقول لعينات جُمعت من نباتات الكسافا في ثلاث مزارع، بواقع مزرعة في كل دولة. وكُشف عن فيروسات الموزاييك في الكسافا التابعة لجنس الفيروسات البغومية (Cassava mosaic begomoviruses) من خلال تسلسل عينات مأخوذة من الأوراق والسيقان والدرنات والحشرات. واكتملت العملية برمتها، بدءًا من الوصول إلى المزرعة وحتى التشخيص—بما في ذلك جمع العينات ومعالجتها والحصول على نتائج التسلسل الأولية—في أقل من ثلاث ساعات. وتتزايد الحاجة إلى التشخيص الدقيق والسريع والموقعي مع تسارع وتيرة النشاط البشري المعولم. وينطوي هذا الإنجاز التقني على تطبيقات ذات صلة بصحة الإنسان والحيوان، والإدارة البيئية، وحفظ الطبيعة.
Dans cette étude de cas, nous avons associé avec succès la technologie de purification d'ADN PDQeX développée par MicroGEM (Nouvelle-Zélande) aux dispositifs de séquençage mobiles MinION et MinIT développés par Oxford Nanopore Technologies afin de mettre au point un système efficace de diagnostic sur le terrain au point d'intervention. Le PDQeX extrait l'ADN à l'aide d'un cocktail de protéinases thermophiles et d'enzymes de dégradation des parois cellulaires, de cartouches d'extraction thermosensibles et d'une unité de régulation thermique. Ce système clos permet d'obtenir de l'ADN purifié sans contamination croisée. Le MinIT est une unité de traitement de données récemment commercialisée qui convertit localement et en temps réel le signal brut généré par le MinION en données d'appel de bases nucléotidiques (*base calling*), éliminant ainsi le recours à des ordinateurs aux spécifications élevées et le transfert de fichiers volumineux depuis le terrain. Ces trois dispositifs fonctionnent sur batterie et présentent un encombrement exceptionnellement réduit qui facilite leur transport et leur déploiement. Afin d'évaluer et de valider la capacité du système à identifier des agents pathogènes de manière non biaisée par séquençage en temps réel dans les conditions d'une exploitation agricole, nous avons analysé des échantillons prélevés sur des plants de manioc cultivés par des agriculteurs de subsistance dans trois pays d'Afrique subsaharienne (Tanzanie, Ouganda et Kenya). Divers virus pathogènes, présentant tous des symptômes similaires, réduisent considérablement les rendements ou détruisent les cultures de manioc. Huit cents (800) millions de personnes dans le monde dépendent du manioc pour leur alimentation et leurs revenus annuels, et les maladies virales constituent un obstacle majeur à sa production. La détection précoce des agents pathogènes à l'échelle moléculaire offre un potentiel considérable pour préserver les récoltes au cours d'une même saison culturale, en fournissant des résultats qui éclairent les prises de décision relatives à la gestion des maladies, au recours à des variétés résistantes aux virus ou au renouvellement des plantations. Cette étude de cas illustre des conditions de travail sur le terrain caractérisées par un accès limité, voire inexistant, au réseau électrique, aux infrastructures de laboratoire et à la connectivité Internet, ainsi que par des températures ambiantes très variables. Une difficulté supplémentaire réside dans le fait que le matériel végétal contient généralement des inhibiteurs des processus moléculaires en aval, ce qui rend cruciale une purification efficace de l'ADN. Nous avons mené avec succès le séquençage génomique en temps réel directement sur le site de trois exploitations agricoles, à raison d'une par pays. Des bégomovirus de la mosaïque du manioc ont été détectés par séquençage d'échantillons de feuilles, de tiges, de tubercules et d'insectes. L'ensemble du processus, de l'arrivée sur l'exploitation jusqu'au diagnostic, incluant le prélèvement des échantillons, leur traitement et l'obtention des résultats provisoires de séquençage, s'est déroulé en moins de 3 heures. La nécessité d'un diagnostic précis, rapide et sur site s'accroît avec l'accélération des activités humaines mondialisées. Cette avancée technique présente des applications pertinentes pour la santé humaine et animale, la gestion environnementale et la conservation.
在本案例研究中，我们将新西兰MicroGEM公司开发的PDQeX DNA纯化技术与Oxford Nanopore Technologies开发的MinION和MinIT移动测序设备成功结合，构建了一套高效的现场即时诊断系统。PDQeX利用嗜热蛋白酶和细胞壁降解酶复合制剂、热敏提取柱以及温控单元来提取DNA。该封闭式系统可在无交叉污染的情况下提供纯化DNA。MinIT是一款新发布的数据处理单元，可将MinION的原始信号输出在本地实时转换为碱基识别数据，从而摆脱了现场对高性能计算机及大文件传输的需求。这三款设备均采用电池供电，体积极其小巧，便于携带和部署。为评估和验证该系统在农田环境下通过实时测序进行无偏向性病原体鉴定的能力，我们分析了采集自三个撒哈拉以南非洲国家（坦桑尼亚、乌干达和肯尼亚）自给农户种植的木薯植株样本。多种症状相似的病毒性病原体严重降低了木薯产量，甚至导致绝收。全球有8亿人依赖木薯获取粮食和年收入，而病毒性病害是制约其生产的重要瓶颈。分子水平的病原体早期检测具有在单个生长季内挽救农作物的巨大潜力，其结果可为病害管理决策、选用适宜的抗病毒品种或替代种植提供科学依据。本案例研究展示了在缺乏或完全没有市电供应、实验室基础设施和互联网连接，且环境温度剧烈波动的现场工作条件。另一项挑战在于，植物材料通常含有下游分子反应的抑制剂，这使得高效的DNA纯化至关重要。我们在上述三个国家的三个农场中，成功对采集自木薯植株的样本实施了现场实时基因组测序。通过对叶片、茎秆、块根及昆虫样本进行测序，检测到了木薯花叶双生病毒（Cassava mosaic begomoviruses）。从抵达农场到得出诊断，包括样本采集、处理及初步测序结果在内的全流程在3小时内即可完成。随着全球化人类活动的加剧，对精准、快速及现场诊断的需求日益增长。这一技术突破在人类与动物健康、环境管理以及生态保护等领域均具有重要的应用前景。
Reference Key
boykin2019treegenes Use this key to autocite in the manuscript while using SciMatic Manuscript Manager or Thesis Manager
Authors Boykin, Laura M;Sseruwagi, Peter;Alicai, Titus;Ateka, Elijah;Mohammed, Ibrahim Umar;Stanton, Jo-Ann L;Kayuki, Charles;Mark, Deogratius;Fute, Tarcisius;Erasto, Joel;Bachwenkizi, Hilda;Muga, Brenda;Mumo, Naomi;Mwangi, Jenniffer;Abidrabo, Phillip;Okao-Okuja, Geoffrey;Omuut, Geresemu;Akol, Jacinta;Apio, Hellen B;Osingada, Francis;Kehoe, Monica A;Eccles, David;Savill, Anders;Lamb, Stephen;Kinene, Tonny;Rawle, Christopher B;Muralidhar, Abishek;Mayall, Kirsty;Tairo, Fred;Ndunguru, Joseph;
Journal genes
Year 2019
DOI
E632
URL
Keywords
supramolecular chemistry sensor cyclodextrin bragg grating trichloroflouromethane health behavior lifestyle motivations complementary and alternative medicine health attitudes Biodegradation bioremediation arctic sediment hydrocarbons antarctic microcosms chemical sensors gas chromatography–mass spectrometry (gc–ms) jams linear discriminant analysis (lda) nanowire gas sensors volatile organic compounds (vocs) melanoma classification diagnostics ultrasonography spectrophotometry dermatoscopy melanocytic tumor

Citations

No citations found. To add a citation, contact the admin at info@scimatic.org

Comments

No comments yet. Be the first to comment on this article.