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C. elegans 运动追踪:一种评估线虫运动能力的方法

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2023年4月30日

本文内容

摘要

来源:Davies, A. G. . 一种用于测量乙醇对 Caenorhabditis elegans运动速度影响的实验方法 J. Vis. Exp. (2015)。

本视频介绍了使用视频和追踪软件在实验区域内记录线虫运动的方法。  示例实验方案测量了乙醇暴露对线虫运动能力的影响。

方案

以下方案节选自 戴维斯  一种用于测量乙醇对运动速度影响的检测方法 秀丽隐杆线虫视频实验杂志 (2015).

  1. 实验前一天需执行的步骤

    1. 挑选L4期线虫转移到接种了OP50 E. coli菌苔的新鲜线虫生长培养基(NGM)平板上,并于20 ˚C过夜培养。每个实验条件需要10条线虫;应多挑选一些线虫以补偿过夜期间可能的损失。
      1. 仅使用第一天成虫阶段的个体进行实验;许多突变体的生长速度比野生型慢。对于发育延迟的品系,应调整挑选时间,确保所有测试个体均为第一天成虫。
  2. 实验当天需执行的步骤
    1. 实验前准备:
      1. 在标准未接种的60 × 15 mm NGM平板上进行实验。将所有待用平板在37 ˚C下敞盖干燥2小时。每次实验需使用四个干燥后的NGM平板;分别为0 mM和400 mM乙醇实验平板及其对应的适应平板。
        注意:此处使用NGM平板非常重要;平板成分的差异,尤其是其渗透压,会显著影响乙醇对行为的剂量反应,部分原因在于线虫体内乙醇积累量的变化。NGM琼脂的渗透压为160 mOsm。
      2. 干燥后,称量每个未接种NGM平板的重量并记录。根据空板重量确定平板中培养基的体积。为估算琼脂重量与体积的换算关系,可假设培养基的密度与等体积水相同。
        注意:我们获得最一致结果的NGM培养基经充分脱水后,原始10 ml体积在干燥后应介于8.3–8.9 ml之间。作为2小时干燥时间的替代方案,可根据培养箱差异将干燥时间调整至平板达到此体积范围为止。
      3. 将4个铜环(内径1.6 cm)熔入每个平板表面,用于分隔不同基因型或处理组的线虫。用镊子夹住每个铜环,在火焰中加热约3秒(本生灯的强火焰效果较好),然后立即在仍用镊子夹持的情况下将铜环放置于平板上,以防其“跳动”。
        1. 用镊子在铜环多个位置轻轻下压,确保铜环平整贴合琼脂表面。放置铜环时,注意为其余三个铜环预留足够空间。
        2. 将另外三个铜环依次熔入平板表面,尽量使四个铜环彼此靠近,以便全部位于摄像机视野范围内。
          注意:铜环与琼脂之间形成良好密封至关重要,以防止实验过程中线虫逃出。在平板上跳动的铜环难以与琼脂形成正确密封,可能划伤琼脂表面,导致线虫钻入并干扰观察。
        3. 为每个实验平板准备一个对应的“适应”平板,该平板也需干燥且未接种,且不添加乙醇。在这些平板上同样放置四个铜环。
      4. 在平板底部靠近每个铜环的位置标注该铜环中将使用的线虫品系,注意不要在铜环本身的视野范围内书写。确保实验平板上的标签与其对应的适应平板一致。
      5. 计算需添加至每个实验平板的100%乙醇量,使最终浓度分别为0 mM或400 mM(质量/体积比)。每次实验(n = 1)需准备一个0 mM和一个400 mM乙醇平板;适应平板不添加乙醇。用移液器将乙醇均匀滴加至平板表面,然后用实验室封口膜密封平板,在室温下平衡2小时。
      6. 当时间过去1.5小时后,开始进行实验的适应步骤(步骤2.2)。
    2. 进行运动行为实验:实验平板操作
      1. 小心地将每组实验线虫各10条转移至适应平板上铜环的中心位置。此时用线虫挑针轻轻刮除琼脂表面可见的食物残留。在不同实验重复中,应改变各实验组上线虫放置的顺序,避免相同品系在每次实验中始终以相同顺序上板。
        注意:目标是以最少的食物量将线虫转移至平板,因为若适应平板上的食物被带入实验平板,线虫会聚集在食物周围,从而掩盖药物对运动行为的影响。
      2. 操作时注意不要用挑针划破琼脂表面,否则会导致线虫钻入琼脂,干扰实验结果。将线虫在室温下孵育30分钟。
      3. 确保各平板启动之间有适当的时间间隔。经验丰富的实验人员可在<1.5分钟内完成40条线虫(每环10条,共4环)的转移,但最长间隔不超过2分钟 均可接受。标准实验中,对0 mM和400 mM乙醇处理组均在暴露10–12分钟 和30–32分钟 时进行录像。
      4. 启动0 mM乙醇暴露组的适应平板与400 mM乙醇暴露组的适应平板之间应间隔约2分钟 和30秒 ,以便在开始录制第二个视频前完成第一个视频文件的保存。
      5. 经过30分钟 的适应期后,将线虫从适应平板转移至实验平板。转移时应按照其在适应平板上的添加顺序,将线虫依次转移至相应的实验平板(0 mM或400 mM乙醇),并记录各平板完成转移的时间间隔。用实验室封口膜密封平板,以尽量减少乙醇挥发损失。
      6. 使用边缘较薄且扁平的线虫挑针,以“舀取”动作将线虫收集至挑针平面上。在将线虫从未接种的适应平板转移至实验平板时,不要使用细菌(通常用于帮助粘附线虫至挑针),以免引入食物污染。
        注意:此步骤中线虫转移的速度非常关键,因为先上板的线虫暴露于乙醇的时间长于后上板的线虫,早期时间点可能出现一定的时间依赖性效应。因此,在不同实验重复中轮换各品系首次上板的顺序是十分重要的。
    3. 进行运动行为实验:录像
      1. 使用显微镜/相机组合系统,确保能同时成像全部四个铜环所在的视野范围(约42×42 mm2 正方形区域),例如采用0.5倍显微镜物镜、0.8倍放大倍率,以及配备2048×2048、7.4 µm像素CCD的相机。
      2. 确保整个视野内照明均匀,有助于在强度阈值步骤中实现目标识别。使用3”×3”背光源效果良好。
      3. 将平板以培养基面朝上(盖子朝下)的方式成像,这种设置相比传统显微镜透射光源能产生更好的对比度,尽管使用背光时部分对比度会有所损失。
      4. 设置图像分析软件以采集移动线虫的时间序列视频。设定软件每1秒采集一帧12位灰度图像,生成一段2分钟 (共120帧)的视频。为减小输出文件大小同时保留足够的图像分辨率,可采用2×2像素合并模式采集1024×1024像素的图像。
      5. 开始录像。在最后一条线虫被放置到第一个平板(0 mM乙醇)后10分钟 ,开始录制该平板的120帧视频。录制完成后保存视频文件。
      6. 接着录制第二个平板(400 mM乙醇)。重复此过程,在第一个平板(0 mM乙醇)上最后一条线虫放置后30分钟 开始录制第二个平板,以获取各处理组在30–32分钟 时间点的数据。
        注意:每次录像结束后,应留出足够时间保存图像文件,再开始下一个待分析平板的录制。
      7. 为便于未来长期保存录像资料,并使这些视频可被ImageJ等其他公共领域开源图像分析软件打开和分析,建议将每段视频另存为8位256级灰度TIFF格式文件。
        注意:此处描述的图像分析软件使用专有文件格式。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
秀丽隐杆线虫品系秀丽隐杆线虫遗传中心
60 x 15 mm 培养皿,三重通气Greiner Bio-One628161其他品牌的培养皿也可使用。
NGM 琼脂多种来源NaCl (3 g/L),琼脂 (17 g/L),蛋白胨 (2.5 g/L),1 ml 胆固醇 (5 mg/ml 溶于乙醇),1 ml (1 M) MgSO₄,1 ml (1 M) CaCl₂,25 ml (1 M) KPO₄,pH=6,975 ml H₂O
镊子多种来源例如,Fisher Scientific #10300
37 °C 培养箱多种来源用于琼脂干燥
铜环PlumbmasterSTK#35583 (48 cap thread gasket)内径 1.6 cm,外径 1.8 cm 的铜环
100% 乙醇多种来源
Parafilm MBemisPM996
CCD 相机QImagingRET-4000R-F-M-12该相机具有较大的视野。
带 C 接口和 0.5X 物镜的体视显微镜LeicaMZ6已停产型号,M60 为当前等效型号。
光源SchottA089233”x3” 背光,可实现视野内均匀照明
成像与追踪软件Media CyberneticsImagePro-Plus v6.0-6.3该软件的新版本具备追踪功能。

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