测量细胞的渗透水通透系数(Pf)有助于理解水通道蛋白(AQPs)的调控机制。本文所述的球形植物细胞原生质体中Pf的测定,包括原生质体的分离以及在恒定灌流条件下,通过渗透冲击引起的原生质体初始体积变化速率的数值分析。
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测量细胞的渗透水通透系数(Pf)有助于理解水通道蛋白(AQPs)的调控机制。本文所述的球形植物细胞原生质体中Pf的测定,包括原生质体的分离以及在恒定灌流条件下,通过渗透冲击引起的原生质体初始体积变化速率的数值分析。
研究水通道蛋白(AQP)的调控机制对于理解细胞水平和整体植物水平的水分关系至关重要。本文介绍一种简单且高效的测定植物原生质体渗透水导系数(Pf)的方法,原则上也可适用于其他球形细胞,如爪蟾卵母细胞。该实验的第一步是通过酶解法从目标植物组织中分离原生质体,并将其置于含有适当等渗溶液的样品室中。第二步为渗透冲击实验:将固定在样品室底部的原生质体首先用等渗溶液持续灌流,随后切换为低渗溶液进行灌流,同时对细胞膨胀过程进行录像记录。第三步为离线图像处理,通过分析图像获得细胞体积变化,并利用Matlab编写的曲线拟合程序(“PfFit”)将体积变化的时间进程与灌流液渗透压变化的时间进程进行关联,从而计算出Pf值。
水分在细胞膜上的吸收和流动是植物在细胞水平和整体植株水平生存的基本需求。在细胞水平上,水通道蛋白(AQPs)在调控细胞膜渗透性水导系数(Pf)方面起着关键作用1-3。
迄今为止,已有多种方法被用于测量内源性Pf 来自不同植物器官的原生质体即 根、叶肉、内皮层 等等,由 Chaumont 审阅 等 4)。测量P的一种方法是f 是将原生质体暴露于渗透压刺激下,并监测其体积变化的初始速率(即,体积变化早期线性阶段的斜率)。此前已有两种基于该方法的实验技术被报道,二者均基于溶液的瞬时交换。第一种方法是利用负压微吸管固定原生质体,并切换溶液流动5 使用移液枪将原生质体从一种溶液转移至另一种溶液的第二个步骤6这些微吸管吸吮和微吸管转移方法虽可在快速溶液交换刚开始时进行图像采集(以捕捉体积变化的早期线性阶段),但可能对原生质体造成物理应力,且需要专用设备和熟练的显微操作技术。
本文所述方法可最大限度减少对细胞的干扰,无需显微操作,并且在浴液灌注非瞬时完成的情况下仍可测定Pf。
酶消化后,原生质体浸没在等渗溶液中,通过电荷相互作用固定在有机玻璃(又称莱克塞尔或有机玻璃)腔室的盖玻片-玻璃底部上。随后,在持续灌流过程中,等渗溶液被低渗溶液冲洗置换,从而对原生质体施加低渗刺激。原生质体的膨胀过程通过视频记录,然后结合灌流过程的时间变化和细胞膨胀的时间过程,利用图像处理和曲线拟合方法确定渗透系数(Pf)。
该方法的优点在于实验效率高,即可在单次检测中同时监测多个细胞,且无需特殊设备或特定的显微操作技能。该方法具有多种应用可能。例如,可测定来自不同组织和植物的多种细胞的天然渗透水通道系数Pf,如拟南芥叶片的叶肉细胞和维管束鞘细胞7、玉米叶片叶肉细胞或根皮层细胞8-10,以及悬浮培养细胞11,12。此外,还可测定球形动物细胞(如卵母细胞)的Pf11。另一个应用实例是通过在原生质体中瞬时表达水通道蛋白(AQP)基因(或其他可能影响AQP的基因,例如激酶基因),来检测这些基因对Pf的贡献;例如,通过PEG转化法在拟南芥叶肉原生质体中表达番茄水通道蛋白SlTIP2;2,并测定与SlTIP2;2相关的Pf13。最后,还可研究向溶液中添加的不同分子或物质(如药物、激素等)对Pf的影响,例如AQP抑制剂HgCl2的作用7。
以下方案描述了拟南芥叶肉细胞原生质体的分离及其渗透系数(Pf)的测定。
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1. 溶液的配制
2. 拟南芥叶肉原生质体的分离
3. 低渗应激实验:拟南芥叶肉细胞膨胀
4. 使用 ImageJ 分析细胞体积变化
注意:为了分析细胞膨胀过程中的一系列图像,可使用 ImageJ 软件中的“Image Explorer”和“Protoplast Analyzer”插件(由 Xavier Draye 编写)14。从选定原生质体的第一个时间点开始,“Protoplast Analyzer”插件将自动检测原生质体的边缘(轮廓),并计算实验过程中其面积随时间的变化(这些插件可随下方所述的 PfFit 分析程序一同获取)。
5. 使用 ImageJ 和 Matlab 程序 PfFit 对实验腔室内渗透压变化速率进行建模
6. 使用 Matlab 拟合程序 PfFit 确定 Pf
注意:除了关于原生质体作为真正且理想的渗透计行为的基本假设外11,Pf 的测定还基于以下假设:Pf 可随时间变化,这种 Pf 的动态变化是细胞体积变化时间进程的基础,并且可用三个参数来描述该过程:Pfi(Pf 的初始值)、SlopePf(Pf 线性变化的速率)和 Delay(从浴液渗透浓度改变开始到细胞体积变化开始之间的时间间隔)。可测试不同模型,包括这些参数及其取值的不同组合,包括参数取零值的情况11。PfFit 通过计算,寻找这些参数的最佳组合,以最真实地重现实验测得的细胞体积变化时间进程11,而该时间进程是根据导入的细胞轮廓面积序列计算得出的(另请参见补充材料《PfFit 用户指南》)。
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为了测定渗透水通道蛋白(Pf)并比较不同水通道蛋白(AQPs)的活性,采用拟南芥叶片的叶肉原生质体。这些原生质体具有较低的基础(背景)Pf水平7,可作为功能性表达系统,实现可重复的Pf测量。
从6周龄拟南芥植株的成熟叶片中分离原生质体,并利用PEG转化法分别瞬时表达三个含有拟南芥(AtPIP2;1)和玉米(ZmPIP1;2 和 ZmPIP2;4)水通道蛋白基因的基因构建体15。假设将大量质粒导入细胞时转化事件的发生与质粒性质无关且是同步的,并基于先前在其他植物系统中报道的单个细胞内两个质粒同步瞬时表达成功率可达100%的结果15,16,实验中同时共转化了一个编码增强型绿色荧光蛋白(eGFP)的载体,以标记已转化的原生质体(图7)。
在进行 Pf 测定实验时,将原生质体置于实验腔室(
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此处描述了一种简单且高效的测定P的方法f 分离植物原生质体的方法,原则上也适用于其他球形细胞, 例如,非洲爪蟾卵母细胞11. 该方法基于测量Pf 在细胞受到渗透压刺激时。然而,与其他基于该方法的技术相比,溶液的更换 即渗透压的变化并非瞬时完成,而是在持续灌流等渗溶液以建立细胞基线体积的过程中逐渐发生。此外,该方法不使用负压移液管,因此可最大程度减少对原生质体的干扰。
本文所述方法可用于分析来自不同植物或组织的多种原生质体。然而,由于涉及相关计算,仅能分析球形细胞。此外,原生质体的酶解分离过程及溶液的渗透压需根据待测细胞类型进行调整(例如,番茄叶肉原生质体的酶解分离过程约需一小时,明显长于拟南芥原生质体的分离时间)。
根据本方案分离拟南芥叶肉原生质体,操作简单、快速且高效,可获得大量原生质体。尤其值得注意的是,结合其较低的基础渗透水导率(Pf)水平和高转化效率(图8),使其...
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本工作获得了比利时科学研究中心(FNRS)基金、比利时科学政策跨大学研究吸引计划以及比利时法语区共同体制定的协同研究行动计划对 FC 的资助,以及以色列科学基金会耶路撒冷(ISF)对 MM(资助号 #1311/12)和对 NM(资助号 #1312/12)的资助。
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| 等级 2-(N-吗啉)-乙磺酸 (MES) | )Sigma | 15152002 | http://www.sigmaaldrich.com 任何来源,肛门级 |
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| 纤维素酶 | 沃辛顿,美国新泽西州莱克伍德 | LS002603 | http://www.worthingtonbiochem.com |
| 果胶裂解酶 | 卡兰, 美国亚利桑那州 Phonix | 8006 | http://www.karlan.com |
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| 牛血清白蛋白 (BSA) | Sigma | A9418-5G | http://www.sigmaaldrich.com |
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