本文介绍了一种先进的工具,用于监测拟南芥(Arabidopsis)幼苗去黄化早期阶段的叶绿素生物合成过程。该新方法可实现高空间和时间分辨率的非侵入式实时叶绿素荧光成像。
方法文章
* These authors contributed equally
本文介绍了一种先进的工具,用于监测拟南芥(Arabidopsis)幼苗去黄化早期阶段的叶绿素生物合成过程。该新方法可实现高空间和时间分辨率的非侵入式实时叶绿素荧光成像。
叶绿素生物合成是植物去黄化过程的标志性事件,而去黄化是植物生命周期中最显著的阶段之一。在开花植物从黑暗转入光照条件时,会触发叶绿素生物合成这一严格调控且高度动态的过程。当黄化的幼苗首次接触到阳光的瞬间,原叶绿素酸酯会在独特的光受体蛋白复合物介导下,在数秒内迅速转化为叶绿素酸酯,并通过后续一系列代谢步骤,最终生成具有完整功能的叶绿素。传统的叶绿素含量分析技术通常依赖于从离体植物组织中提取色素,这种方法不适用于研究如此快速的生理过程。为了在光照诱导去黄化后的最初几小时内,以高精度和高时空分辨率在活体(in vivo)条件下研究叶绿素的动态变化,研究人员开发了一种专用仪器和相应实验方案。本文介绍了一种针对拟南芥(Arabidopsis)去黄化早期阶段叶绿素进行统计学上可靠定量的详细实验流程。
去黄化是植物生命周期中最显著的阶段,其特征是发生一系列形态学变化以及植物代谢的彻底重组(从异养转变为自养)1。叶绿素的生物合成是植物光诱导去黄化的标志性过程,也是一个高度动态的过程。由黑暗条件下积累的前体原叶绿素酯转化为叶绿素必须受到严密协调,以避免因活性副产物造成损伤2。原叶绿素酯还原为叶绿素酯的过程由光依赖型原叶绿素氧化还原酶(PORs)催化,这类酶是可直接被光激活的独特酶类。该反应速度极快,可在毫秒至秒级完成3,在黄化幼苗接受光照后数分钟内即可观察到明显的叶绿素积累4,5,6。而叶绿体的生物发生则需要更长时间(从数小时到数天),才能建立起功能完整的光合作用系统3。
目前存在多种分析叶绿素含量的方法,包括高效液相色谱法(HPLC)或分光光度法。通常,这些技术需要破坏植物组织4,5,6,从而限制了对叶绿素水平随时间变化的连续测定。能够实现非侵入性叶绿素动力学检测的方法,可能为植物研究开辟全新的视角,涵盖从基础科学问题(例如,时空维度下叶绿素合成过程的分析)到更实际的应用(例如,评估植物胁迫耐受性或生物刺激剂对叶绿素动力学的影响)等多个方面。基于此,我们开发了一套用于监测叶绿素形成的系统——iReenCAM7。该系统包含一个CCD相机、发射滤光片、光源以及自动化荧光分析流程(图1)。该设备的主要特点是具备高空间和时间分辨率,在当前常用方法所采用的参数方面表现更优,并且与标准分析方法相比,具有足够的灵敏度和特异性7。
此处描述的非侵入性操作步骤简单,所需试剂极少,可在活体植物中获取叶绿素动力学曲线 拟南芥 幼苗在去黄化过程的极早期阶段。该方案可用于研究受多种内外因素影响的、高度动态的叶绿素合成过程,其中外源因素包括盐胁迫、干旱、生物刺激素、重金属等,内源因素通常与基因活性变化相关,且无需分离任何植物组织,从而避免了额外的胁迫。
1. 培养基制备
2. 种子表面灭菌与植物生长条件
3. 叶绿素荧光测量与分析
4. 数据提取与分析
使用新开发的程序在4天龄去黄化幼苗中获得的典型结果 拟南芥 野生型(WT)、生态型Columbia-0(Col-0)的幼苗如图所示 图3在对照条件(添加DMSO的MS培养基)下,叶绿素生物合成曲线表现为叶绿素合成的初始爆发阶段,这是因为在暗形态建成生长阶段合成的原叶绿素酯池在光照诱导的PORs作用下迅速转化为叶绿素7,8,9快速叶绿素积累的初始阶段大约持续10分钟,随后进入一个滞后期,此时暗合成的原叶绿素酸酯达到最低值(约在光照后30分钟;原叶绿素酸酯的HPLC测定曲线见7。在滞后期,叶绿素生物合成基因被上调10,导致原叶绿素酸酯的光诱导生成。新合成的原叶绿素酸酯迅速转化为叶绿素,表现为指数相(在野生型Col-0中,约在光照后120分钟开始),随后在去黄化幼苗光照约4小时后进入另一个滞后期。图3)。在含有6-苄氨基嘌呤(BAP)的条件下,首个显著差异在指数生长期即可被检测到7,表明BAP在叶绿素生物合成的后期阶段(约在开始给予作用光后2小时)对叶绿素动力学具有抑制作用; 图3).
为了比较不同条件和/或基因型,必须对原始数据进行归一化处理。由于在去黄化幼苗中,通过HPLC在各种条件和/或不同基因型下均未检测到叶绿素,因此我们将数据归一化(F/F0)至相应处理和/或基因型在T0时刻测得的初始荧光水平(F0)7。为了说明归一化的重要性,我们同时展示了原始数据以及归一化至T0时刻对照组平均叶绿素荧光值(F0)后的数据(分别为图3A和图3B)。

图1:测量设备协议概览。 iReenCAM测量与分析流程示意图。(A) 通过网格定义的种子播种、层积处理、光诱导萌发以及垂直放置的培养皿在黑暗条件下进行植物培养的样品制备过程。(B) 基于PlantScreen表型分析软件工具箱的控制模块,可实现自动且可编程的图像采集和数据管理,通过控制并同步硬件操作与用户自定义的测量及分析协议,协调整个系统的运行。(C) 测量协议设计为对荧光样品图像进行动态测量,每2分钟一次,持续4小时,共120轮测量。以获取于180分钟时的代表性伪彩色图像时间可视化帧用于生成感兴趣区域(ROI)掩膜。(D) 将定义感兴趣组织区域(如子叶、下胚轴或根区)的掩膜应用于时间可视化帧,执行背景扣除,并逐像素提取所有测量轮次中各感兴趣区域(由植物掩膜定义)的荧光值。最后,原始数据(荧光强度F)被归一化至T0时刻的平均荧光值(F0)。比例尺 = 1 cm(A)和0.25 cm(C)。该图改编自7。请点击此处查看此图的放大版本。

图 2:种子放置。 该图显示使用锯齿状网格将拟南芥(Arabidopsis)种子放置在具有避光边缘的培养皿上。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:拟南芥去黄化早期阶段叶绿素积累动力学。 黄化后的野生型Col-0幼苗在添加BAP或DMSO(对照)的培养基上生长。(A) 原始数据的平均值±标准差(阴影区域),n=9;(B) 数据经T0时刻(F0)平均荧光值归一化处理。请点击此处查看该图的放大版本。
补充图1:播种网格 左:播种网格,带有标出的矩形框,用于将每种基因型的种子放置在检测区域中光照均匀的位置(光强 ≥ 最大光强的 0.7)。右:4 日龄黄化幼苗的示意图 拟南芥 用于分析的幼苗培养。播种网格提供了一种可行的方案 拟南芥 种子定位以确保光照均匀性和适当的种子密度(每个槽位均可用于放置种子,因为槽位尺寸、槽位间距以及网格区域内的光照均匀性均经过统一设计)。 请点击此处下载此文件。
补充图2:荧光测量方案。 请点击此处下载该文件。
补充图3:可避免非预期光照的实验配置。(A) 测量装置被放置于步入式植物生长室中, (B) 通过避光门进入腔室。 (C) 的 体外 用于在特定条件(温度和相对湿度)下培养黄化幼苗的培养箱(红色箭头)放置在设备正下方(黄色箭头),以最大程度降低光照暴露风险。微弱绿光光源(蓝色箭头)安装在控制电脑(橙色箭头)旁边的墙壁上。 请点击此处下载此文件。
补充图4:使用PS数据分析软件在工作流程中生成掩膜的步骤。 打印生成托盘掩膜(步骤4.3-4.6)和植株掩膜(步骤4.12)以及进行数据分析(步骤4.7和4.13)时所需执行的各个步骤的截图。请点击此处下载该文件。
补充图5:播种密度对测量变异性的影响 4天大黄化幼苗中叶绿素积累动力学 拟南芥 野生型Col-0幼苗培养 (A) 单独(作为单个幼苗,此处 n=5)或成组 (B) 高(HD,n=30-40)或 (C) 低密度(LD,n=10-15). n 表示播种网格每个槽中的幼苗数量,数据代表均值 ± 标准差(阴影区域)。高密度或低密度对应于上述播种网格每个槽中的幼苗数量。 请点击此处下载此文件。
补充图6:培养间隔与空间需根据物种进行特异性优化。 利用多种植物物种的生长 拟南芥-优化方案 (A) 播种网格上的种子放置。 (B) 4天大的黄化幼苗(从左到右) 拟南芥, 芸薹属油菜(Brassica napus), 和 Crambe abyssinica. 请点击此处下载此文件。
实验方案的关键步骤与故障排除——避免光照并妥善保护遮光板
如上文实验方案描述中所强调的,在黄化幼苗培养期间或实验开始前,即使极微量的光照也必须严格避免,这一点至关重要11。在我们的实验设置中,使用一个专用的暗室,该暗室位于步入式植物生长室(phytotron)内,并通过密闭旋转门与生长室其他区域完全隔光(补充图3)。该暗室配备有植物培养空间和工作台,可同时容纳实验装置、控制用计算机以及通风橱。这一设置使我们能够在完全黑暗条件下培养植物,并在无需转移培养板的情况下直接开始测量。
植物培养方式及掩膜生成方法对于后续通过本实验方案进行叶绿素荧光信号的定量至关重要。应避免培养基中出现凝胶剂团块或微小的可见杂质/灰尘,因为这些物质可能导致光线反射。由于软件对叶绿素荧光的识别受限于掩膜范围,未被掩膜覆盖的植物区域将不会被软件分析。在4小时的测量过程中,幼苗会略有生长或移动,因此预设的掩膜可能需要调整,否则无法在整个测量过程中保持贴合,从而影响信号强度定量的准确性。根据我们的经验,掩膜定义不完善似乎是造成数据变异性的主要来源。在优化实验中,我们监测了分析所用的叶绿素荧光值的变异性变化,比较了以下情况:i)单株幼苗,以及播种密度 ii)较高(30–40粒种子)和 iii)较低(10–15粒种子)的一组幼苗(补充图5)。我们采用了较高的播种密度,因其表现出最低的变异性。单株幼苗或低密度播种情况下较高的变异性,主要源于位于信号与背景交界处的像素比例更高,以及幼苗在4小时测量期间发生的轻微移动。
为确保所有测量结果准确,需检查植物掩膜是否与第一轮拟合,然后至第15轮th, 30th, 45th, 60th 75th 以此类推,直至最后一轮(选择轮次编号并点击) 刷新预览)。这仅需几分钟,但可确保整个子叶区域被完全覆盖并得到评估。如果在任何一轮中植物掩膜未能贴合(所需区域未被完全覆盖),则将实验分为多个部分,然后从第4步(4.1–4.13)开始分别对实验的每一部分执行方案,以单独创建相应的掩膜。例如,若发现第60–61轮(或稍早)植物掩膜发生位移,可将实验分为两部分——1st 第1至60轮部分和2nd 第(61-121轮)。对于第1部分st 部分使用第41轮的图像生成植物掩膜并用于第2轮nd 部分使用第91轮。在步骤4.13分析数据时,点击之前务必根据实验的相应部分选择正确的轮次(例如,第一部分为第1–60轮,第二部分为第61–121轮,如前述示例所示) 分析. 当操作时 拟南芥植物的运动可以忽略不计,因为它们生长相对缓慢;但如果将该方案应用于不同物种(见下文),则应考虑其生长速度。
修改与局限性
可调整的参数数量包括作用光的强度和波长,以及在作用光照射间隔期间施加的光照条件。测量装置配备有集成的全电动化、软件控制的滤光轮。因此,若添加适当的滤光片,该方案中也可纳入适用于定量其他色素(通常也为四吡咯生物合成途径产物10,12)的测量算法。
此外,如前所述,该方案不仅可用于拟南芥(Arabidopsis)植物。然而,在处理其他植物物种时,应根据物种特异性特征(包括萌发速率、生长速度和/或植株大小)对方案的每一步进行相应调整(补充 图6)。
该实验方案的一个重要限制在于叶绿素定量分析可进行的时间范围。当叶绿素整合到光系统复合物后,由于光合作用对能量的消耗,荧光信号会受到干扰(即出现可变叶绿素荧光),这一点已在去黄化后期阶段被观察到13。通过OJIP瞬态分析法14,15检测发现,在去黄化的最初4小时内,本实验体系中未检测到任何光合作用活性的迹象7。然而,如果需要对光形态建成的更长时间阶段进行检测,则应验证光系统组装的程度以及光合作用对整体荧光水平可能产生的影响。
最后需要说明的是,我们的方案基于荧光测量,仅能实现叶绿素的相对定量,而非绝对定量。若需进行绝对定量,则必须使用其他方法(如高效液相色谱法)进行相应的校准。
相较于现有方法的意义——一种简单、快速且统计学上稳健的叶绿素定量方法,具有高时间分辨率和高空间分辨率
此处所述方法可实现对活体中叶绿素的实时检测与定量 拟南芥 去黄化早期阶段的幼苗。与其他主要依赖从离体植物材料中提取叶绿素的方法相比16,17 或近期发展的光学方法18,19 该方法完全无创,可通过叶绿素定量分析 体内 荧光强度的测量。此外,与现有的其他替代方法(包括前述基于高效液相色谱法或分光光度法的方法)不同,该方法无需额外的样品制备试剂。新引入的方案简单、快速且准确,此前已通过高效液相色谱法验证。5使用标准实验方案设置,单次生物学重复的最终曲线由4小时内采集的120个测量点(荧光强度均值)组成,每个测量点最多包含15个测量位点。通常,最终曲线包含三次生物学重复(例如,三个独立制备的培养板)的数据,以及每个生物学重复中三个测量位点(三次技术重复),每个位点包含30至40株幼苗。因此,在每个时间间隔内约有300株幼苗被检测,从而获得具有统计学可靠性的数据集,能够可靠地检测出即使是在叶绿素生物合成不同步骤中受影响的突变体所表现出的微小差异。7本文建议使用者采用近期开发的统计方法,即将广义线性混合模型与经典时间序列模型相结合的方法,作为叶绿素动力学数据分析的合适工具。20.
该技术的未来应用——快速且低成本的筛选
上述特点使该方法成为一种适用于快速且低成本筛选的有效工具,可用于与叶绿素生物合成相关(直接或间接)性状的高精度定量分析。这可能包括利用正向遗传筛选研究,以更深入地阐明叶绿素生物合成复杂且多层次的调控机制10,12,21。考虑到可进行多种化合物处理,该方案在研究光介导的激素调控作用22,23,或筛选可能影响叶绿素积累动力学的小分子化合物方面也具有重要价值。
Z.B. 和 K.P. 是 PSI 的员工,Martin Trtilek 是生产 iReenCAM 的 PSI 公司的首席执行官和所有者。如前所述,这些作者均参与了该仪器的开发7。
本工作由欧洲区域发展基金项目“SINGING PLANT”(编号:CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_026/0008446)资助。本项目还通过MSCA4Ukraine项目(编号:1233580)获得欧洲联盟资助。我们感谢Lenka Sochurkova为图1提供的图形设计。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 6-苄氨基嘌呤 | Duchefa Biochemie | B0904.0001 | |
| 铝箔 | Merck | Z691577 | |
| Arabidopsis thaliana Col-0 种子 | NASC 菌种库 | N1092 | |
| 培养室 | PSI | 定制 | |
| 二甲基亚砜 | Thermo Fisher Scientific | 042780.AK | |
| Eppendorf 单通道可调移液器(100–1000 μL) | Merck | EP3123000063 | |
| 琼脂糖(Gelrite) | Duchefa Biochemie | G1101 | |
| iReenCAM 装置 | PSI | 定制/原型 | |
| 实验室瓶(Duran),带盖,100 mL | Merck | Z305170-10EA | |
| 层流洁净工作台 | UniGreenScheme | ITEM-31156 | |
| 无衬橡胶接头胶带,19 mm 宽,黑色,Scotch | 3M Science. Applied to Life | 7000006085 | |
| 微量离心管,2 mL 带盖,PPT 材质,BRAND | Merck | BR780546-500EA | |
| 微孔胶带 | 3M Science. Applied to Life | 7100225115 | |
| Osram lumilux green l18w/66 | Ovalamp | 200008833 | |
| 培养皿 — Greiner 方形培养皿,120 × 120 × 17 mm,带通风孔 | Merck | Z617679-240EA | |
| 移液器吸头,1000 μL,Axygen | Merck | AXYT1000B | |
| Plant Screen 数据分析软件 | PSI | 作为 iReenCAM 的一部分提供 |