脂质聚酯构成两种细胞壁修饰结构的组分,即植物角质层和含栓质的扩散屏障。在本视频中,我们描述了一种从完全去脂叶片中解聚角质的方法。该方法可用于研究在角质或栓质生物合成过程中存在缺陷的突变体。
方法文章
脂质聚酯构成两种细胞壁修饰结构的组分,即植物角质层和含栓质的扩散屏障。在本视频中,我们描述了一种从完全去脂叶片中解聚角质的方法。该方法可用于研究在角质或栓质生物合成过程中存在缺陷的突变体。
陆生植物会产生细胞外的脂肪族生物聚酯,从而修饰特定组织的细胞壁。表皮细胞合成角质,这是一种由甘油和修饰脂肪酸组成的聚酯,构成了覆盖植物地上部分表面的角质层的骨架结构。栓质是一种相关的脂质聚酯,沉积在某些组织的细胞壁上,包括根的内皮层以及块茎、树皮和根的周皮。这些脂质聚合物在不同植物物种间的组成具有高度变异性,且在同一物种的不同组织间也常有差异。本文中,我们描述了一种详细的方法,通过甲醇钠(NaOMe)催化的解聚反应、衍生化处理,随后进行气相色谱-质谱联用(GC/MS)分析,以研究拟南芥(Arabidopsis thaliana)叶片中角质的单体组成。该方法可用于分析从去脂后的完整植物组织中分离出的不溶性聚酯(含角质或栓质)的单体成分。此方法不仅可用于表征此前未分析过的物种中脂质聚合物的组成,还可作为正向和反向遗传学研究中的分析工具,用于评估候选基因的功能。
维管植物依赖于细胞外层结构,这些结构在植物组织与外部环境之间起到防水屏障的作用。这些亲脂性的细胞壁相关结构可限制病原体侵染,并调控气体、水分及溶解物质进出植物组织的被动运输1。此类屏障包括植物角质层——一种植物特有的共有衍征结构2——以及多种含栓质的扩散屏障。角质层是由表皮细胞合成并透过细胞壁外侧的果胶层与之相连的亲油性结构3-5。它包裹着高等植物的初生地上器官,作为植物组织与环境之间的重要界面发挥功能。
角质是角质层的结构基质,而角质和木栓质均为与可溶剂提取的蜡质相关的不溶性甘油酯聚酯2,4。这些聚合脂质由饱和与不饱和脂肪酸衍生物组成,在结构和功能上均具有相似性。然而,它们在化学组成和沉积位点上具有特征性差异,因而可以区分。
栓皮是一种脂族聚酯,位于某些外部和内部组织的细胞壁内,形成次生壁。栓皮化组织包括根、块茎和树皮的周皮、根的内皮层、种皮层以及愈合的伤口2。与角质不同,栓皮聚酯通常含有醇类、饱和及单不饱和二羧酸,以及大量超长链单体(碳链长度≥20个碳原子)。
角质是维管植物中最丰富的脂质聚酯6,由甘油和C16-C18酯化脂肪酸衍生物(如羟基和羟基-环氧取代的脂肪酸)组成4。尽管不同维管植物物种中角质聚合物的组成存在差异,但最主要的单体成分是10,16-二羟基16:0、18-羟基-9,10-环氧 18:0以及9,10,18-三羟基18:0脂肪酸。有趣的是,拟南芥叶片和茎部的角质主要由18:2二羧酸构成7,8。
植物角质层的厚度也表现出显著的变异性,范围从几纳米到数微米不等9。由于角质层分离是一个费力且耗时的步骤,特别是对于拟南芥(Arabidopsis thaliana)等叶片角质层极薄的植物尤为困难8,因此已开发并验证了无需进行角质层分离的方法7,8。本文中,我们描述了一种详细的实验方案,通过甲醇钠(NaOMe)催化的解聚反应,结合后续的气相色谱/质谱(GC/MS)分析,研究拟南芥(Arabidopsis thaliana)叶片中角质(cutin)的单体组成。该方案为检测完整去脂组织中植物脂质聚酯的组成提供了一种可靠的方法,并基于先前报道的方案进行了优化和改进7,10,11。首先将完整组织样品均质化并彻底去脂,以去除可溶性提取脂质,包括角质层和表皮蜡质、膜脂以及三酰甘油。随后,富集细胞壁的残渣在甲醇钠催化下发生甲醇解反应,分解为其相应的甲基酯单体。经酸化后提取脂肪酸甲酯,并进一步衍生化为相应的三甲基硅烷或乙酰化衍生物。衍生化产物具有高挥发性,可在适当的温度下从气相色谱柱中洗脱,且在GC/MS分析过程中不会改变其结构构象。
注意:本方案改编自 Bonaventure 等(2004)、Molina 等(2006)、Li 等(2013)7,10,11。步骤 1-5 总结于图 1中。
1. 组织脱脂
注意:务必冲洗 全部 使用前,用氯仿清洗玻璃器皿和瓶盖,并在通风橱中晾干。
警告:组织匀浆化及所有溶剂转移步骤均应在通风橱中进行;务必穿戴实验服、手套和防溅安全护目镜,以避免与化学品直接接触,并防止样品受到污染。
2. 解聚:甲醇钠催化的甲醇解(图2)
警告:步骤 2.3 – 2.4、2.7 – 2.8、2.10 – 2.11、2.13 – 2.15 以及 2.17 – 2.18 必须在通风橱内操作;务必穿戴实验服、手套和防溅护目镜。
3. 气相色谱用衍生物的制备
注意:步骤 3.1.2 和 3.1.5–3.1.8 必须在通风橱内操作;务必穿戴实验服、手套和防溅安全护目镜。
4. 气相色谱/质谱分析
5. 数据分析
本论文所述方案旨在测定脂质聚酯单体(即,角质或木栓质),并尽量减少非角质脂质的干扰10。图1展示了该检测方法的总体流程,整个过程耗时约8至10天(从组织初始采集到获得气相色谱数据),具体时长取决于样品干燥所需时间。
所选的碱催化甲醇解(图2)方法用于解聚聚酯,此前已在拟南芥种子中得到验证,该种子同时含有角质和木栓质。组织首先被均质化并进行彻底的脱脂处理,以去除溶剂可提取的脂类。提取后的残渣产量(以初始鲜重的百分比表示)通常为A. thaliana Col-0叶片的6%。细胞壁富集残渣在真空干燥器中干燥后,通过碱催化转甲酯化反应解聚为其组成的甲酯单体。选择2小时的孵育时间为实现脂类聚酯组分充分解聚和有效回收的关键时间。更长的孵育时间会导致2-羟基酸增加;这些物质可能来源于膜鞘脂10。
拟南芥野生型叶片角质层的典型色谱图如图3所示,包括O-三甲基硅醚衍生物(图3A)和O-乙酰化衍生物(图3B)。每个峰通过与文献7,8及公共数据库12中的质谱数据比对进行鉴定。我们的视频方案展示了如何制备三甲基硅醚(TMSi)衍生物,但也可选择将样品乙酰化以衍生化羟基。硅烷化衍生物适用于鉴定目的,因其可产生具有诊断意义的质谱图;然而,乙酰化衍生物更稳定,在单体鉴定完成后是硅烷化的良好替代方法10。为帮助仅配备气相色谱-火焰离子化检测器(GC/FID)的实验室实施本方案,还提供了对应于野生型(WT)叶片角质层单体乙酰化衍生物以及一系列脂肪酸甲酯标准品的同系物的GC/FID色谱图(补充图4)。
该方法为定性方法,可检测样品间的定量差异,因此在突变体分析中具有重要价值。通过内标法定量,确定各个单体的含量,从而实现不同样品间单体丰度的比较。然而需要说明的是,色谱峰大小(总离子计数)可能并不反映聚酯中单体的摩尔比例。我们提供了可编辑的单体表格,用于计算拟南芥叶片角质中以脂肪酸甲酯和TMSi衍生物形式存在的单体含量(补充文件1),或醇类乙酰化衍生物的含量(补充文件2)。若样品来源于不同器官或植物种类,这些表格可能需要相应调整。
以拟南芥(Arabidopsis thaliana)Columbia(Col-0)野生型叶片为例,我们分析了两种先前已表征的CYP86A2/ATT1基因的无效突变等位基因att1-1(m-1)和att1-2(m-2)13,14。CYP86A亚家族的细胞色素P450单加氧酶编码假定的ω-氧化酶,参与栓质和角质单体的生物合成。我们的结果(图4)表明,与野生型叶片相比,突变体叶片中三种主要脂质单体的含量显著降低。与该酶的预测功能一致,16:0、18:2和18:1二羧酸盐在att1突变体中受到特异性影响。

图1. 脂质聚酯分析概览。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 2. NaOMe 催化的酯交换反应机理。 亲核的甲氧基负离子进攻脂质聚酯的羰基碳,形成不稳定的四面体中间体 (A),该中间体迅速解离为脂肪酸甲酯和烷氧基负离子 (B)。这些烷氧基是共轭碱,可与甲醇反应,重新生成具有催化活性的甲氧基负离子,从而持续推动进一步的解聚反应 (C)。如果体系中存在水,它将与甲醇钠反应生成氢氧化钠——一种强碱,可将酯不可逆地水解为不期望的游离脂肪酸。添加乙酸甲酯作为共溶剂15,以去除体系中微量的氢氧化钠 (D)。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3. 野生型Arabidopsis thaliana叶片角质单体的代表性总离子色谱图。 (A) O-三甲基硅烷(TMSi)醚衍生物和(B) 乙酸羟基衍生物。请点击此处查看此图的放大版本。

图4. 拟南芥(Arabidopsis thaliana)野生型及CYP86A2基因两个无效突变等位基因(突变体-1=att1-1;突变体-2=att1-2)的角质单体组成。 误差条表示平均值的标准差(n = 4)。改编自13,经© Blackwell Publishing(2007)许可。 请点击此处查看该图的放大版本。

补充图1. 来自GC/MS软件的峰积分结果表。 对应于已鉴定单体和内标物的峰通过其保留时间(C列)进行识别,峰面积值列于D列中。 请点击此处下载该文件。

补充文件 2。 拟南芥角质单体(羟基脂肪酸甲酯的三甲基硅醚衍生物)数据表。 请点击此处下载该文件。

补充文件 3。 拟南芥角质单体(羟基脂肪酸甲酯的O-乙酰化衍生物)数据表。请点击此处下载该文件。

补充图4. 脂肪酸甲酯(FAME)保留指数标准品的(A-B)气相色谱/火焰离子化检测(GC/FID)图谱(峰标注了每种饱和FAME的碳链长度);以及(C)乙酰化的A. thaliana野生型(WT)叶片角质单体的GC/FID图谱。峰上数字对应如下物质:16:0 FAME(1)、阿魏酸(2)、18:3 FAME(3)、18:1/18:2 FAME(4)、18:0 FAME(5)、芥子酸(6)、16:0 DCA(7)、16-羟基-16:0 FAME(8)、18:2 DCA(9)、18:1 DCA(10)、18:0 DCA(11)、18-羟基-18:2 FAME(12)、18-羟基-18:1 FAME(13)、20:0 FAME(14)、10,16-二羟基-16:0 FAME(15)、24:0 FAME(16)。DCA:二羧酸二甲酯;FAME:脂肪酸甲酯;IS1:内标1,17:0 FAME;IS2:内标2,15-羟基-15:0 FAME。请点击此处下载该文件。
与DNA和蛋白质等其他生物大分子不同,植物脂质聚酯并非由模板合成。相反,其组成取决于合成这些胞外聚合物的组织中所存在的酶的特异性。因此,对组成成分进行化学分析对于理解脂质聚酯的组成至关重要。
裂解酯键的化学方法包括皂化、氢解、酸催化酯交换甲基化和碱催化酯交换甲基化2。每种方法均有其优缺点。皂化反应生成游离的脂肪羟基酸,可能进一步发生副反应。使用氢化铝锂(LiAlH4)16进行氢解已用于角质分析7。氢解可将官能团化的碳还原为醇,而原始结构需通过氘化锂铝(LiAlD4)进行氘解反应来推断。该方法的缺点是需要使用高分辨气相色谱-质谱联用技术(GC/MS)比较所得脂肪多元醇的氘代程度,以确定其结构。甲醇中三氟化硼(BF3)催化的酸性酯交换反应常用于角质和木栓质的解聚8,17,18,但该试剂保质期较短,且可能因副反应引入假象产物15。甲醇硫酸也可生成单体的甲基酯,但与其他方法相比,其生成的2-羟基脂肪酸比例更高,这些成分可能并非真正的脂质聚酯组分10。
本方案中所述的甲醇钠(NaOMe)催化酯交换法可生成脂肪酸甲酯,其羟基可通过硅烷化衍生化,从而获得可用于鉴定的特征质谱;或通过乙酰化生成更稳定的羟基衍生物,用于定量分析。该技术的一个缺点是当反应体系中存在水时,水解反应会与酯交换反应同时发生。水会与催化剂甲醇钠(NaOMe)反应生成氢氧化钠(NaOH),后者进一步将脂肪酸甲酯水解为游离酸(图2D)。这是一种不希望发生的副反应,因为每种脂肪酸将出现两个峰:甲酯峰和TMSi酯衍生物峰,从而增加分析的复杂性。因此,使用无水试剂并添加乙酸甲酯作为共溶剂以抑制皂化反应,是防止水解的关键步骤(图2D)。
角质和木栓质含有1%至26%的甘油4。然而,在本实验方案所述的实验条件下,该单体无法被检测到。甘油具有高度亲水性,与脂肪酸甲酯单体不同,会在水相溶剂洗涤步骤中被去除。这一局限性也适用于其他角质解聚方法,但可通过转酯化后获得的水相层,采用酶法测定甘油含量19,20。或者,也可在较温和的条件下(例如,0.05 M NaOMe)进行反应,且不再进行后续水相萃取,以检测包括甘油在内的所有单体。尽管温和条件适用于甘油定量,但通常会导致角质和木栓质的解聚不完全。
如果具备配备火焰离子化检测器(FID)的气相色谱仪(GC),可在气相色谱-质谱联用(GC/MS)确定代表性样品的色谱峰后,使用该仪器对所有重复样品进行定量分析。或者,若已知单体的保留指数,也可通过GC/FID谱图鉴定单体。火焰离子化检测器具有特别高的灵敏度和宽广的线性响应范围,这对于单次运行中同时定量样品中的主要和次要组分至关重要。此外,该检测器结构坚固,易于维护和操作15。
本方案可实现植物脂质聚酯单体的可靠且可重复的分离、鉴定和定量,从而对一种或多种脂质聚酯单体组成存在差异的突变体进行化学表征。该方法具有可扩展性,可轻松适应处理少量或大量各类植物材料,包括根、种子、叶片、茎和花。许多物种的脂质聚酯单体质谱数据已有发表例如.,21-26,这些数据为将本方案应用于其他组织和/或物种时鉴定未知单体提供了宝贵的资源。本方法适用于高等植物中脂质聚酯的生物合成、调控及分布研究。
未声明任何利益冲突。
本研究得到了加拿大自然科学与工程研究委员会(NSERC)本科生科研奖学金对 S.J. 的资助,以及 NSERC 发现基金对 I.M. 的资助。我们感谢 Richard Bourgault、Meghan Rains 和 Amanda Fluke 提供的技术支持。att1-1 和 att1-2 突变体种子由中华人民共和国北京市中国科学院遗传与发育生物学研究所 Jian-Min Zhou 博士惠赠。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 化学试剂 | |||
| 2-丙醇 | Fisher Scientific | BPA451-4 | 脱脂溶剂 |
| 无水硫酸钠 | Fisher Scientific | S421500 | |
| 乙酸酐 | Sigma Aldrich | 320102 | 衍生化试剂 |
| BSTFA(N,O-双(三甲基硅烷)三氟乙酰胺) | Sigma-Aldrich | 15222 | 衍生化试剂 |
| 丁基化羟基甲苯(BHT) | Sigma-Aldrich | 101162 | 抗氧化剂 |
| 无水氯化钙 | Fisher Scientific | C614-3 | 干燥剂 |
| 无水硫酸钙(DRIERITE-8目含指示剂) | Acros Organics | 219090020 | 干燥剂 |
| 氯仿(三氯甲烷) | Fisher Scientific | C6074 | 有机溶剂 |
| 冰乙酸 | Fisher Scientific | BP2401212 | 酸化试剂 |
| 压缩氦气载气 | Air Liquide | ALPHAGAZ1-UN1046 | 气相色谱/质谱载气 |
| 庚烷 | Fisher Scientific | H3501 | 有机溶剂 |
| 己烷 | Fisher Scientific | H3024 | 有机溶剂 |
| 甲醇 | Fisher Scientific | A4124 | 有机溶剂,转甲基化反应试剂 |
| 乙酸甲酯 | Sigma-Aldrich | 296996 | 有机溶剂 |
| 十七烷酸甲酯 | Sigma-Aldrich | H4515 | 内标物(1 mg/mL 储备液) |
| 二氯甲烷 | Fisher Scientific | D374 | 有机溶剂 |
| 压缩氮气 | Air Liquide | ALPHAGAZ1-UN1044 | 气相色谱-火焰离子化检测器载气 |
| 十五内酯 | Fluka | 76530 | 内标物(1 mg/mL 储备液) |
| 吡啶 | Sigma-Aldrich | 270970 | 衍生化共溶剂 |
| 氯化钠 | Fisher Scientific | BP358212 | 盐溶液 |
| 甲醇钠(25 wt.%) | Sigma-Aldrich | 156256 | 亲核试剂 |
| 甲苯 | Fisher Scientific | T2904 | 有机溶剂 |
| 植物生长用品 | |||
| Pro-Mix PGX | Premier Tech Horticulture Ltd | 推荐使用Pro-Mix PGX培养拟南芥植株(Eddy, R. 和 Hahn, D.T., 2012, http://docs.lib.purdue.edu/pmag/2) 普渡大学拟南芥培养方法。 | |
| PermaNest 湿度罩 | Grower's Solution, LLC, Cookeville, TN | GD2211-24 | |
| Perma-Nest 植物托盘(22x11英寸) | Grower's Solution, LLC, Cookeville, TN | N/A | |
| 方形温室花盆,3.5英寸 | Grower's Solution, LLC, Cookeville, TN | P86 | |
| 通用型植物肥料,Plant-Prod 20-20-20 | Premier Tech Home and Garden In., Brantford, ON | N/A | |
| 玻璃器皿 | |||
| 13 x 100 mm 带聚四氟乙烯衬垫螺旋盖的玻璃试管 | Kimble Chase Life Science and Research Products LLC | 45066A-13100 | |
| 16 x 125 mm 带聚四氟乙烯衬垫螺旋盖的玻璃试管 | Kimble Chase Life Science and Research Products LLC | 45066A-16125 | |
| 20 x 125 mm 带聚四氟乙烯衬垫螺旋盖的玻璃试管 | Kimble Chase Life Science and Research Products LLC | 45066A-20125 | |
| 气相色谱小瓶盖 | National Scientific | C400051A | |
| 气相色谱小瓶内插管 | National Scientific | C4011631 | |
| 气相色谱小瓶 | National Scientific | C40001 | |
| 一次性巴斯德吸管 | Fisher Scientific | 1367820B | |
| 烧瓶 | Fisher Scientific | ||
| 仪器设备 | |||
| Allegra X15R 离心机 | Beckman Coulter | ||
| 分析天平 | Fisher Scientific | ||
| Belly dancer | 若无Belly Dancer,可用摇床代替 | ||
| DB-5 毛细管气相色谱柱 | J&W Scientific, CA, USA; | 30 m x 0.25 mm x 0.25 μm 膜厚 | |
| 干燥器 | |||
| Isotemp 202 水浴锅 | Fisher Scientific | ||
| ISQ LT 单四极杆质谱仪 | Thermo Scientific | ||
| 加热块 | Fisher Scientific | ||
| 氮气吹干仪 | |||
| Polytron 匀浆器 | Birkmann | ||
| Trace 1300 气相色谱仪 | Thermo Scientific | ||
| 两级减压阀 | Air Liquide | Q1-318B-580 | |
| 真空干燥器 | Fisher Scientific | ||
| 涡旋混合器 | Fisher Scientific |
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