وصفنا نهجا لقياس التغيرات في كفاءة التمثيل الضوئي في النباتات بعد المعالجة بانخفاض ثاني أكسيد الكربون2 باستخدام مضان الكلوروفيل.
مقالة منهجية
وصفنا نهجا لقياس التغيرات في كفاءة التمثيل الضوئي في النباتات بعد المعالجة بانخفاض ثاني أكسيد الكربون2 باستخدام مضان الكلوروفيل.
يمثل البناء الضوئي والتنفس الضوئي أكبر تدفقات الكربون في التمثيل الغذائي الأولي للنبات وهما ضروريان لبقاء النبات. تمت دراسة العديد من الإنزيمات والجينات المهمة لعملية التمثيل الضوئي والتنفس الضوئي جيدا لعقود من الزمن ، ولكن بعض جوانب هذه المسارات الكيميائية الحيوية وحديثها المتبادل مع العديد من العمليات تحت الخلوية ليست مفهومة تماما بعد. تم إجراء الكثير من العمل الذي حدد الجينات والبروتينات المهمة في عملية التمثيل الغذائي للنبات في بيئات شديدة التحكم قد لا تمثل بشكل أفضل كيفية عمل التمثيل الضوئي والتنفس الضوئي في البيئات الطبيعية والزراعية. بالنظر إلى أن الإجهاد اللاأحيائي يؤدي إلى ضعف كفاءة التمثيل الضوئي ، فمن الضروري تطوير شاشة عالية الإنتاجية يمكنها مراقبة كل من الإجهاد اللاأحيائي وتأثيره على التمثيل الضوئي.
لذلك ، قمنا بتطوير طريقة سريعة نسبيا لفحص التغيرات الناجمة عن الإجهاد اللاأحيائي في كفاءة التمثيل الضوئي والتي يمكنها تحديد الجينات غير المميزة التي لها أدوار في التنفس الضوئي باستخدام تحليل مضان الكلوروفيل وفحص CO2 المنخفض. يصف هذا البحث طريقة لدراسة التغيرات في كفاءة التمثيل الضوئي في طفرات خروج المغلوب المنقولة DNA (T-DNA) في Arabidopsis thaliana. يمكن استخدام نفس الطريقة لفحص الطفرات التي يسببها إيثيل ميثان سلفونات (EMS) أو فحص الكابت. يمكن أن يؤدي استخدام هذه الطريقة إلى تحديد الجينات المرشحة لمزيد من الدراسة في التمثيل الغذائي الأولي للنبات واستجابات الإجهاد اللاأحيائي. يمكن أن توفر البيانات من هذه الطريقة نظرة ثاقبة لوظيفة الجينات التي قد لا يتم التعرف عليها حتى التعرض لبيئات الإجهاد المتزايدة.
يمكن أن تؤثر ظروف الإجهاد اللاأحيائي الشائعة في حقول المزارعين سلبا على غلة المحاصيل عن طريق تقليل كفاءة التمثيل الضوئي. يمكن أن تسبب الظروف البيئية الضارة مثل موجات الحرارة وتغير المناخ والجفاف وملوحة التربة ضغوطا غير أحيائية تغير توافر CO2 وتقلل من استجابة النبات لإجهاد الضوء العالي. أكبر تدفقين للكربون الأرضي هما التمثيل الضوئي والتنفس الضوئي ، وهما ضروريان لنمو النبات وغلة المحاصيل. تم تمييز العديد من البروتينات والإنزيمات المهمة المشاركة في هذه العمليات في ظل ظروف المختبر وتم تحديدها على المستوى الجيني1. على الرغم من إحراز تقدم كبير في فهم عملية البناء الضوئي والتنفس الضوئي ، إلا أن العديد من الخطوات ، بما في ذلك النقل بين عضيات النبات ، لا تزال غير مميزة 2,3.
يبدأ التنفس الضوئي ، وهو ثاني أكبر تدفق كربوني في النباتات بعد عملية التمثيل الضوئي ، عندما يقوم إنزيم روبيسكو بتثبيت الأكسجين بدلا من ثاني أكسيد الكربون إلى ريبولوز 1,5 ثنائي الفوسفات (RuBP) ، مما يولد المركب المثبط 2-فوسفوجليكولات (2PG) 1. لتقليل التأثيرات المثبطة ل 2PG وإعادة تدوير الكربون الثابت سابقا ، طورت نباتات C3 عملية التنفس الضوئي متعددة العضيات. يحول التنفس الضوئي جزيئين من 2PG إلى جزيء واحد من 3-فوسفوجليسرات (3PGA) ، والذي يمكن أن يدخل مرة أخرى في دورة تثبيت الكربون C31. وبالتالي ، فإن التنفس الضوئي يحول فقط 75٪ من الكربون الثابت سابقا من توليد 2PG ويستهلك ATP في هذه العملية. نتيجة لذلك ، فإن عملية التنفس الضوئي هي سحب كبير بنسبة 10٪ -50٪ على عملية التمثيل الضوئي ، اعتمادا على توافر المياه ودرجات حرارة موسم النمو4.
كانت الإنزيمات المشاركة في التنفس الضوئي مجالا للتركيز البحثي لعقود ، ولكن تم تمييز عدد قليل فقط من بروتينات النقل على المستوى الجيني ، على الرغم من مشاركة 25 خطوة نقل على الأقل في العملية5،6،7. بروتينا النقل اللذان يشاركان بشكل مباشر في حركة الكربون المتولد في عملية التنفس الضوئي هما ناقل الجليكولات / الجليسرات PLGG1 وحمض الصوديوم الصفراوي BASS6 ، وكلاهما يشارك في تصدير الجليكولات من البلاستيدات الخضراء 5,6.
تحت المحيط [CO2] ، يقوم Rubisco بتثبيت جزيء الأكسجين إلى RuBP حوالي 20٪ من الوقت1. عندما تتعرض النباتات لانخفاض [CO 2] ، تزداد معدلات التنفس الضوئي ، مما يجعل انخفاض [CO2] بيئة مثالية لاختبار الطفرات التي قد تكون مهمة في ظل ضغط التنفس الضوئي المرتفع. أدى اختبار خطوط T-DNA الإضافية المفترضة لبروتين نقل البلاستيدات الخضراء تحت CO2 المنخفض لمدة 24 ساعة وقياس التغيرات في مضان الكلوروفيل إلى تحديد خطوط نبات bass6-1 التي أظهرت نمطا ظاهريامتحورا للتنفس الضوئي 5. أظهر التوصيف الإضافي أن BASS6 هو ناقل جليكولات في الغشاء الداخلي للبلاستيدة الخضراء.
تصف هذه الورقة بالتفصيل بروتوكولا مشابها لما تم استخدامه في البداية لتحديد BASS6 كناقل للتنفس الضوئي ، والذي جاء من قائمة بروتينات النقل المفترضة الموجودة داخل غشاء البلاستيدات الخضراء8 يمكن استخدام هذا البروتوكول في تجربة عالية الإنتاجية تميز طفرات Arabidopsis T-DNA أو النباتات الطافرة الناتجة عن EMS كطريقة لتحديد الجينات المهمة للحفاظ على كفاءة التمثيل الضوئي تحت مجموعة من الضغوط اللاأحيائية مثل الحرارة ، الإجهاد العالي للضوء والجفاف وتوافر CO2 . تم استخدام طفرات النباتات باستخدام مضان الكلوروفيل في الماضي لتحديد الجينات المهمة لعملية التمثيل الغذائي الأوليبسرعة 9. مع وجود ما يصل إلى 30٪ من جينوم Arabidopsis الذي يحتوي على جينات ترمز لبروتينات ذات وظيفة غير معروفة أو سيئة التوصيف ، يمكن أن يوفر التحليل الناجم عن الإجهاد لكفاءة التمثيل الضوئي نظرة ثاقبة للوظائف الجزيئية التي لم يتم ملاحظتها في ظل ظروف خاضعة للرقابة في النباتات الطافرة10. الهدف من هذه الطريقة هو تحديد طفرات المسار التنفسي الضوئي باستخدام فحص CO2 منخفض. نقدم طريقة لتحديد الطفرات التي تعطل التنفس الضوئي بعد التعرض لانخفاض ثاني أكسيد الكربون2. ميزة هذه الطريقة هي أنها فحص عالي الإنتاجية للشتلات يمكن إجراؤه في فترة زمنية قصيرة نسبيا. توفر أقسام بروتوكول الفيديو تفاصيل حول تحضير البذور وتعقيمها ، ونمو النبات ومعالجة CO2 المنخفضة ، وتكوين نظام التصوير الفلوري ، وقياس العائد الكمي للعينات المعالجة ، والنتائج التمثيلية ، والاستنتاجات.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
1. إعداد البذور والتعقيم
ملاحظة: يتكون تحضير البذور من تشرب البذور وتعقيم البذور. من المهم ملاحظة أن كل هذه الخطوات يجب تنفيذها في غطاء تدفق رقائقي للحفاظ على ظروف معقمة. يجب تعقيم جميع المواد والكواشف ووسائط النمو الضرورية (انظر جدول المواد).
2. نمو النبات وانخفاض CO2 العلاج
3. تكوين نظام التصوير الفلوري
4. تصميم برنامج العائد الكمي
5. قياس العائد الكمي للعينات المعالجة
6. فتح ملف البيانات
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
تظهر النتائج صور لوحة من الصور الخام والفلورية من فحص CO2 المحيط والمنخفض ل WT واختبار الطفرات. يتم تمييز كل نبتة برقم المنطقة ، مع قراءات مضان مقابلة تعطى على أنها QY. يتم تصدير البيانات كملف نصي ويمكن فتحها في جدول بيانات لتحليلها (انظر الجدول التكميلي S1). تم اختيار الخطوط الطافرة plgg1-1 و abcb26 لإثبات التحديد الإيجابي والسلبي للجينات المرتبطة بالإجهاد التنفسي الضوئي. يرمز PLGG1 لأول ناقل في المسار بعد أكسجة RuBP6 ، بينما يعتقد أن ABCB26 يشفر ناقل...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
تأتي الطرق التجريبية الموضحة في هذه الورقة مع بعض المزايا والقيود. تتمثل إحدى المزايا في أن هذه الطريقة يمكنها فحص العديد من شتلات النباتات ، على الرغم من أنه يجب اتخاذ بعض الاحتياطات لمنع تلوث لوحة وسائط النبات أثناء عملية الطلاء والنمو. لذلك ، من الأهمية بمكان ختم ألواح Arabidopsis بشريط جراحي. ميزة أخرى لهذه التجربة هي أن لديها فترة إجهاد تنفسي ضوئي أقصر تبلغ 12 ساعة مقارنة بالعملالمنشور سابقا 8. كان التخفيض في وقت العلاج هو التمييز بشكل أفضل بين الاختلافات في Fv / Fm بين WT والطفرات المختارة. ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
ليس للمؤلفين مصالح مالية متنافسة أو تضارب في المصالح.
تم تمويل هذا البحث من قبل مجلس حكام لويزيانا (AWD-AM210544).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| 1.5 مل أنبوب الطرد المركزي | VWR | 10810-070 | حاوية لتعقيم البذور |
| agarose | VWR | 9012-36-6 | مادة كيميائية تستخدم لتعليق البذور لسهولة الطلاء |
| Arabidopsis thaliana< / em> البذور (abcb26< / em>) | ABRC ، يتم طلبها من خلال TAIR www.arabidopsis.org | SALK_085232 | بذور أرابيدوبسيس المستخدمة كمجموعة |
| تجريبيةArabidopsis thaliana seeds (plgg1-1) | ABRC, مرتبة من خلال TAIR | www.arabidopsis.org SALK_053469C | بذور الأرابيدوبسيس الأبوية |
| Arabidopsis thaliana< / em> بذور (WT) | ABRC ، مرتبة من خلال TAIR www.arabidopsis.org | Col-0 | arabidopsis بذور النوع البري المستخدمة كمجموعة تحكم |
| ؛ التبييض | كلوركس | التبييض العام | مادة كيميائية تستخدم لتعقيم البذور |
| منتجات Medline | الماصة للكربوليم | S232-104-001 | CO2< / sub> ماصة |
| الفوتون | المغلقة FluorCam | FC 800-C | تصوير مضان |
| FluoroCam FC 800-C | أنظمة الفوتون أدوات | مغلقة FluorCam FC 800-C / 1010-S | تصوير مضان |
| FluoroCam7 | أدوات أنظمة الفوتون | مغلقة FluorCam FC 800-C / 1010- S | برنامج تحليل الصور الفلورية |
| Gelzan (أجار النبات) | مختبرات Phytotech | 71010-52-1 | مادة كيميائية تستخدم لترسيخ وسائط MS كألواح ؛ |
| قارورة زجاجية 1 لتر | حاوية FB5011000 من Fisherbrand | لصنع وتعقيم | |
| غرفة نمو | caron | 7317-50-2 | غرفة النمو المستخدمة لزراعة النباتات |
| Murashige & سكوج بازال وسط مع الفيتامينات و 1.0 جم / لتر MES (MS) | مختبرات Phytotech | M5531 ؛ | وسائط النمو لشتلات الأرابيدوبسيس |
| هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) | مختبرات Phytotech | 1310-58-3 | تجعل حل 1 متر لأضواء العنكبوت لتعديل الأس الهيدروجيني |
| أضواء | Mean Well Enterprises | XLG-100-H-AB | المستخدمة في فحص الضوء ؛ |
| طبق بتري مربع مع شبكة ، معقم | Simport Scientific | D21016 | يستخدم لعقد وسائط MS لشتلات arabidopsis |
| الشريط الجراحي | 3M | 1530-1 | الشريط المستخدم لإغلاق الألواح |
| بين 20 | biorad | & nbsp ؛ 9005-64-5 | خافض للتوتر السطحي يستخدم للمساعدة في تعقيم البذور |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذن