بروتوكول شاشة إشارة متحولة لتوفير العمالة وتكرارها لدراسة الثيغمومورفولوجينيس لمصنع نموذجي أرابيدوبسيس ثاليانا
August 6th, 2019
تم بناء آلة تحميل لطيفة تعمل باللمس من فرش الشعر البشري والأسلحة الروبوتية ووحدة تحكم. يتم دفع فرش الشعر بواسطة الأسلحة الروبوتية المثبتة على الجهاز وتتحرك بشكل دوري لتطبيق قوة اللمس على النباتات. قوة اللمسات الشعر يحركها آلة مماثلة لتلك التي من اللمسات المطبقة يدويا.
نحن نبني آلة أوتوماتيكية تعمل باللمس لرصد morphogenesis إشارة النبات. الأسلحة الروبوتية التي قمت بتثبيتها مع فرش الشعر البشري لتطبيق قوة اللمس لطيف على النباتات. بالمقارنة مع لمسة إصبع الإنسان، يمكن للآلة اللمس الشعر الإنسان التلقائي تقديم المزيد من توفير العمالة، وقوة لمس موحدة تحميل.
يمكن تقييد الوقت اللازم لجولة واحدة من تحميل القوة في غضون عدة دقائق. بالمقارنة مع عدة ساعات من لمسة إصبع ولمسة مسحة القطن، يمكن للآلة الروبوتية إلى حد كبير تحسين البحوث استجابة تجارية النبات. من خلال زيادة كفاءة و عدد النباتات المعالجة ، نتوقع أن يتم تطبيق آلة اللمس التلقائي في أربع شاشات متحولة إشارة ودراسات استجابة تجارية في كل من النباتات والحيوانات.
للبدء، اختبار معدل الإنبات لكل نوع جيني بعد تغذية البذور على لوحة أجار 8٪ مع MS المتوسطة لمدة سبعة أيام. وفقا لمعدل الإنبات، وإعداد البذور أربع إلى خمس مرات أكثر من العدد المطلوب من النباتات التي سيتم إنتاجها. تزج البذور في الماء البارد في أنابيب بلاستيكية 1.5 ملليلتر وتغطية مع رقائق الألومنيوم للحفاظ على الظلام.
تخزين في أربع درجات مئوية لبذر البذور. بعد خمسة إلى سبعة أيام من التبهيب، حدد التربة المناسبة لنمو النبات. تجنب كتل كبيرة واستخدام شوكة لخلطها بشكل متجانس.
إعداد 24 207 ملليلتر أكواب بلاستيكية مع حافة العلوي قطرها 7.4 سم. حفر ثلاثة ثقوب مستديرة في الجزء السفلي من الكؤوس لأغراض الري. ملء هذه الأكواب البلاستيكية مع التربة المختلطة.
دع التربة تتراكم إلى حوالي سنتيمتر واحد أعلى من حافة الكأس واستخدم مسطرة لتسطيح سطح التربة المكدسة بهدوء. نقل 24 كوب إلى صينية بلاستيكية. تعيين شدة الضوء من غرفة النمو بين 180 و 240 microeinsteins في الثانية الواحدة في المتر المربع الواحد، وهو أعلى من الإشعاع الضوئي النشط للنمو السريع للنباتات.
تعيين شرط الضوء لتكون ثابتة 24 ساعة. تعيين درجة حرارة غرفة النمو في 23.5 زائد أو ناقص 1.5 درجة مئوية والرطوبة بين 35 و 45٪ إضافة 2.5 لتر من الماء في كل علبة. دع التربة تمتص الماء من الثقوب الموجودة في قاع الأكواب وانتظر سطح التربة لتنخفض إلى مستوى حافة الكأس.
وبعد ساعتين، زرع ثلاث إلى أربع بذور في بقعة واحدة وأربع بقع موزعة بالتساوي داخل كوب. ضع غطاء بلاستيكي شفاف فوق كل صينية واترك البذور تنبت لمدة أسبوع. ثم، إزالة الغطاء والسماح الشتلات لتنمو لمدة أسبوع آخر.
ري النباتات مع 1.5 لتر من الماء كل يومين بعد أن تنبت البذور. بعد تسعة إلى 10 أيام من بذر البذور ، قم بإزالة البراعم الإضافية عن طريق الترقق. استخدام مقص صغير لقطع المزالق وتجنب سحب النبات بأكمله من التربة مباشرة.
ثلاثة إلى أربعة أفراد النبات من حجم مماثل في كل كوب. لتثبيت فرش الشعر التي تعمل باللمس على الأسلحة الروبوتية، استخدم الغراء أولاً لإصلاح طبقة واحدة من شعر الإنسان بالتساوي على مسطرة فولاذية طولها 330 ملليمتر. طول الشعر هو 126 ملليمتر.
مع اثنين من المشابك المعدنية، وربط تلك الحكام الصلب على الأسلحة الروبوتية. في لوحة التحكم، قم بتعيين ارتفاع الذراعين على طول البعد الرأسي عن طريق الضغط على Jog F plus لرفع و Jog R ناقص لخفض الأسلحة والفرش الروبوتية. الحفاظ على غيض من فرش الشعر 5 سنتيمترات أقل من حافة الكأس.
اضغط على شركة F زائد أو R ناقص لprerun آلة دورة إلى دورتين للتأكد من أن يتم لمس جميع الأفراد النبات. قبل التجربة الرسمية، استخدم مقياسًا إلكترونيًا لقياس قوة اللمس. ضبط ارتفاع الأسلحة آلة للحفاظ على قوة اللمس بين واحد إلى اثنين millinewtons.
بعد ذلك، قم بتعيين موضع بدء أذرع الماكينة على طول البعد الأفقي يدويًا. السماح لفرش الشعر لشنق على حافة كل علبة. اضغط Jog F plus أو Jog R ناقص لتحريك ذراع الماكينة أفقياً شيئاً فشيئاً للتأكد من عدم لمس أي نبات قبل بدء التجربة اللمسية.
تعيين فرشاة الشعر مسافة السفر في البعد الأفقي إلى 365 ملليمتر عن طريق الضغط على زر السفر. اضغط على Inc F plus أو R ناقص لتحريك أذرع الماكينة للحصول على مسافة سفر كاملة وضمان أن يتم لمس جميع النباتات المعالجة. ثم اضغط على زر سرعة السيارات لضبط سرعة الحركة على طول محور x من الأسلحة آلة في 5000 ملليمتر في الدقيقة الواحدة.
اضغط على زر الدورة الثانوية لضبط وقت اللمس في 20 تجربة تساوي 40 لمسة في الجولة الواحدة. تعيين الفاصل الزمني للتكرار من جولة اللمس في 480 دقيقة في اليوم الواحد عن طريق الضغط على زر الفترة الرئيسية التي تسمح لفرش الشعر للمس النباتات لمدة ثلاث جولات يوميا مع فاصل زمني من ثماني ساعات. سيبدأ الجهاز جولة جديدة من اللمس تلقائيًا عندما يتحول العد التنازلي إلى الصفر.
حدد الدورة الرئيسية في 12 تجربة للسماح للآلة بلمس النباتات لمدة 12 جولة في غضون أربعة أيام. اضغط على زر البدء لبدء برنامج الإعداد المسبق. ضبط ومعايرة فرش ونصائح الشعر إلى نفس الارتفاع كل يوم خلال فترة اللمس بأكملها.
لتتبع يوم الترباس لكل مصنع في تجربة مؤثرة ، لاحظ أول جذع متألق لكل نبات كل يوم. قياس طول وتسجيل مدة النمو عندما تصل إلى سنتيمتر واحد، وهذا يعني أنه قد انتقل من المرحلة الخضرية إلى مرحلة الإنجاب. قياس دائرة نصف قطرها من الورد، التقاط الصور من علبة كاملة من أعلى.
استخدام برنامج معالجة الصور لقياس المسافة من مركز الوردية إلى طرف ورقة أطول مع حافة كوب كحاكم. لقياس منطقة الورد ، أولا ، إزالة إنفلورس دون التأثير على بقية أعضاء الورد. التقاط الصور من أعلى كل مصنع جنبا إلى جنب مع مسطرة مقياس وضعت في مكان قريب.
في برنامج معالجة الصور، قياس أفقي مساحة سطح ثنائي الأبعاد من أوراق الورد. في هذه التجربة تم مقارنة القطن مسحة العلاج اليدوي لمسة مع علاج لمسة الشعر التي تحركها آلة على السيطرة البرية نوع كولومبيا صفر النباتات. تأخر الاغلاق 1.7 أيام بعد القطن المستمر مسحة العلاج باللمس.
وبالمثل لآلة التلقائي يحركها لمسة الشعر، ولوحظ تأخر الترباس. ويبين تحليل مخاطر كوكس أحادي المتغيرة أن خطر الترباس من النباتات في مجموعة اللمس هو 31٪ و 52٪ مقارنة مع النباتات في مجموعة التحكم ، على التوالي. ومع ذلك، لم يلاحظ هذا التأخير في الارباك على المسوخ الايائية tDNA، NKK واحد وNKK اثنين.
نموذج المخاطر النسبية أحادي المتغيرة كوكس يظهر فقط نوع البرية كولومبيا صفر أظهرت فرقا كبيرا بين محطات التحكم واللمس مع الموارد البشرية تقدر 41. بالنسبة للتغيرات المورفولوجية ، أظهر مصنع Columbia zero من النوع البري نصف قطر الورد الأصغر بكثير وطول الورقة الأقصر بعد ثلاثة أيام من لمس الشعر التلقائي المستمر والمتكرر الذي تحركه الماكينة. تم تغيير منطقة الوردية المتوقعة من 20 إلى 16 سنتيمتر مربع بعد 13 يومًا من اللمس.
للتأكد من أن تحميل قوة اللمس لن يؤدي إلى الجرح، يجب أن يتم تعيين قوة اللمس المناسبة بعناية. وهناك حاجة إلى مجموعة من ظروف النمو السليم لإنتاج مصنع Arabidopsis مناسبة لمعايرة استجابة اللمس. على سبيل المثال، هناك حاجة إلى 24 ساعة من شدة الضوء بين 180 و 240 ميكروينشتاين لكل متر مربع في الثانية لمراقبة morphogenesis إشارة.
لتمتد إلى أشكال أخرى من تحميل القوة الميكانيكية، ويمكن أيضا أن يتم تعديل الجهاز مع فوهة رش المياه أو منفاخ الرياح لتقليد آثار المطر أو الرياح، على التوالي في المستقبل.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة آلة تحميل قوة اللمس الآلية التي تستخدم فرشاة شعر الإنسان والأذرع الروبوتية لاستكشاف التشكل الإشارات النباتية. يتيح الجهاز تطبيق قوة اللمس بشكل موحد على النباتات، مما يزيد بشكل كبير من الكفاءة مقارنة بالطرق اليدوية.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال البحث
- إشارات النبات والاستجابة
- الأتمتة في البحث البيولوجي
- منهجيات معالجة النبات الفعالة
الخلفية
- الطرق التقليدية لتطبيق قوى اللمس على النباتات كثيفة العمالة وتستغرق وقتًا طويلًا.
- يمكن أن يؤدي تطوير الأنظمة الروبوتية إلى تحسين اتساق التجربة وسرعتها.
- تهدف هذه الدراسة إلى تحسين استجابات النبات للمحفزات الميكانيكية من خلال الأتمتة.
الطرق المستخدمة
- تطوير آلة لمس قوة روبوتية مع فرشاة شعر الإنسان لتطبيق القوة بشكل ثابت.
- ركز البحث على نباتات الأرابيدوبسيس خلال مراحل نموها.
- تشمل الأساليب التكنولوجية دورات لمس آلية وظروف بيئية خاضعة للرقابة.
النتائج الرئيسية
- يوفر النظام الآلي قوى لمس قابلة للمقارنة مع التطبيق اليدوي.
- تحسينات في الكفاءة ملحوظة في كل من وقت العلاج ومجموعات استجابة النبات.
- أظهرت التنفيذ الناجح إمكانات لتطبيقات أوسع في فحوصات الشاشات الطافرة.
الاستنتاجات
- تسلط هذه الدراسة الضوء على فعالية الأتمة الروبوتية في أبحاث فسيولوجيا النبات.
- تشير النتائج إلى أن اللمس الآلي يمكن أن يبسط بشكل كبير عمليات البحث، مما يساعد في الدراسات الوراثية والإشارات.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Automated mechanical stimulation platforms address bottlenecks in phenotypic screening for mechanotransduction pathways, enabling higher throughput and reproducibility in target validation studies. By reducing labor-intensive manual force application, the method supports scalable assessment of genetic mutants in mechanosensitive signaling networks. This positions the technology as a enabling tool for early discovery workflows focused on force-sensing mechanisms in model systems.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of touch-force signaling mutants such as MKK1 and MKK2 to clarify mechanistic roles in mechanotransduction.
- Operational Value: Provides repeatable, quantifiable touch-force application reducing variability from manual handling.
- Predictive Value: Supports phenotypic comparison of wild-type and mutant lines under standardized mechanical stress to de-risk target hypotheses.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantifiable morphological outputs (e.g., rosette radius, bolting timing) for high-content phenotypic screening.
- Operational Value: Allows unlimited touch rounds with adjustable force strength, enabling dose-response-like experimental designs.
- Assay Readiness: Compatible with alternative touch materials (e.g., animal hair, silk) and environmental simulators (rain, wind) for assay flexibility.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Links molecular mutants to organism-level phenotypic changes under mechanical stress, supporting pathway validation.
- Mechanistic De-risking: Enables statistical evaluation of touch response differences between genotypes, informing target confidence.
- Model Relevance: Uses Arabidopsis thaliana as a genetically tractable system to study conserved mechanosensitive signaling principles.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery pipelines by providing a standardized mechanical stimulus for phenotypic screening of signaling mutants prior to lead identification efforts.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of kinase-dependent touch signaling pathways through controlled force application and phenotypic readouts.
- Screening: Enables reproducible, high-throughput touch-force delivery for mutant screening campaigns with measurable growth and developmental outputs.
- Analytics: Facilitates quantitative measurement of bolting delay, rosette area, and leaf length for statistical comparison across genotypes.
- Translational Research: Connects molecular phenotypes (e.g., MKK1/MKK2 mutants) to whole-plant mechanomorphogenic responses, supporting target validation.
- Enterprise Reuse: Platform design allows adaptation to other mechanical stimuli (wind, rain) and model systems, supporting cross-project utility.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in force-sensing pathways through standardized, repeatable phenotypic assays.
- Operational Value: Increases experimental throughput by reducing touch-force application time from hours to minutes per round.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision confidence in target validation by minimizing false positives from manual force variability.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of mechanosensitive targets based on reproducible phenotypic outcomes.
Implementation Considerations
- Requires expertise in plant growth conditions, mechanical stimulation protocols, and image-based phenotyping.
- Needs robotic arm system, custom touch-material fixtures, and environmental control chambers for reproducible results.
- Demands standardization of touch force (1–2 mN), timing intervals, and environmental conditions across users and sites.
- Adaptation considerations include exchanging touch materials (hair, silk, cotton) and adding nozzles for rain/wind simulation.
- Practical limitations include dependency on consistent plant size and developmental stage for comparable touch response measurements.
