本方案通过可视化紫花苜蓿(Medicago sativa L.)茎横切面上木质素和果胶细胞壁组分的沉积情况,旨在鉴定茎中可作为靶向改良目标的特定组织,以培育具有理想茎秆消化特性的新型紫花苜蓿品系。
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本方案通过可视化紫花苜蓿(Medicago sativa L.)茎横切面上木质素和果胶细胞壁组分的沉积情况,旨在鉴定茎中可作为靶向改良目标的特定组织,以培育具有理想茎秆消化特性的新型紫花苜蓿品系。
随着植物的生长,细胞壁组分的积累会限制反刍动物对饲草营养的利用。特别是植物组织中木质素的沉积会阻碍细胞壁中的碳水化合物——纤维素和半纤维素的降解,从而降低饲草所能提供的能量。然而,细胞壁中易于消化的果胶组分则较易被降解。有关不同茎部细胞类型中木质素和果胶沉积的信息,可能为阐明不同苜蓿品系间茎消化率差异的机制提供线索。体外将茎横切片在瘤胃液中孵育,可模拟茎组织在瘤胃中经历的降解过程。结合组织学染色与显微镜观察,该方法能够实现对组织降解随时间变化过程的可视化,并显示木质素和果胶在茎中的分布位置。Wiesner染色法可与木质素中的愈创基(G)醛基单元反应,将其染成洋红色。类似地,钌红可与果胶中的羧基发生相互作用,将茎中的果胶染成从粉红色至橙色和棕色的不同色调。本实验方案描述了苜蓿茎横切片经瘤胃微生物处理后的消化过程,随后通过染色以观察细胞壁中木质素和果胶的分布模式。该方法可用于鉴定茎组织中木质素和果胶的存在或缺失区域,从而便于不同苜蓿品系之间的比较分析。
细胞壁包裹着每一个植物细胞。纤维素、半纤维素、木质素和果胶是细胞壁的组成成分,它们构成了反刍动物饮食中必需的植物纤维。果胶是高度可消化(可溶性)的多糖1,而木质素是一种难以消化的聚合物,会限制纤维的降解2。因此,木质素会降低植物的可消化性,最终减少反刍动物从饲草中获取的能量。然而,木质素在植物重要的生理功能中起着支撑作用,例如通过增强管胞结构来促进植物体内的水分运输3。先前的研究表明,茎秆纤维中木质素含量的降低或果胶含量的增加,可能提高茎秆的可消化性和饲草的营养价值4。因此,本实验方案重点关注这两种细胞壁成分。仅测定茎秆细胞壁中木质素和果胶的总浓度,不足以解释茎秆纤维可消化性的潜在机制5。体外与瘤胃液共孵育以及组织化学染色方法,可通过可视化不同茎秆纤维可消化性植物之间细胞壁成分的差异,提供细胞水平上的信息4,6。在本方案中,紫花苜蓿(Medicago sativa L.),一种常见的多年生饲用豆科植物,作为模式物种,用于展示茎组织中木质素和果胶的分布模式——茎组织中的木质素含量高于叶片,而果胶含量则较低。
体外 用瘤胃液孵育可模拟反刍动物胃内牧草的消化过程,从而观察牧草解剖结构对消化率的影响。通过在试管中创建类似于瘤胃内的环境,可于不同时间点取出贴附在玻片上的茎部横切片,以评估其经瘤胃液处理后组织降解的程度。6该方法为苜蓿茎解剖结构的可视化提供了一种相对简单、快速且经济的途径7 并检测含有不同细胞壁组分的细胞类型在茎秆消化过程中的变化。
茎横切面的组织学染色可实现细胞壁组分的可视化。间苯三酚与盐酸(HCl)结合形成威斯纳染液,可特异性显示含有愈创木基木质素单元的茎组织8 通过与G C6C3醛(松柏醛)单体反应9木质素由多种单体亚基组成;然而,在本文中,“木质素”一词仅指G单元单体,因为该单体是与维斯纳染色剂发生反应的单体10 因此可通过本方案进行可视化观察。某些组织(如木质部导管)始终为木质化结构6否则,苜蓿茎组织中的木质素沉积始于次生(形成层)生长启动时,并与茎节间伸长停止同时发生。6钌红可与含有羧基的果胶类物质结合,这些羧基有时会发生酯化,并共享一些侧链11果胶中的羧基存在于胞间层和初生细胞壁中,可与钌红发生相互作用。11果胶参与细胞伸长,因此在初生生长期间的细胞中存在。在整个文稿中,“果胶”一词泛指可能存在的多种果胶成分。将组织学染色与瘤胃 体外 孵育有助于观察茎中细胞壁组分的定位,并凸显不同细胞类型在瘤胃消化过程中的变化。最终,该方案可用于鉴定含有木质素和果胶的茎细胞,并表征不同苜蓿品系及孵育时间下的变化模式。
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本研究遵循动物实验对象的机构指南(IACUC 2301-40689B)。
1. 样品管标记
2. 茎横切及载玻片制片
3. 准备工作 体外 茎横切面的孵育
4. 体外 茎横切面的孵育
5. 木质素的横截面染色
6. 果胶的横截面染色
7. 明场成像
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使用离心管模拟瘤胃条件可实现相对快速且低成本的实验 体外 消化 Medicago sativa 茎的横切面。使用滑动式切片机, 100 μm-厚的横切面 M. sativa 茎段被制备(图1A)。将茎的横切面用双面胶带粘附在玻璃载片上(图1B)并浸入瘤胃液接种溶液中,孵育时间从4小时到96小时不等(图1C)。对于 体外 孵育,使用带盖的一次性50 mL离心管作为孵育容器,并加入0.2 g 1 mm研磨的玉米秸秆底物,以维持整个孵育过程中瘤胃微生物的活性。将离心管置于恒温水浴中孵育,温度维持在 39 °C (图1D)。通过观察接种液中形成气体气泡,可直观确认瘤胃微生物的活跃发酵。本方案所需的材料在常规湿化学实验室中均易获得。双面胶带虽不能防止组织在接触瘤胃液过程中发生降解,但可固定消化后残留的茎段部分,便于后续染色及显微观察。
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本研究所用的苜蓿材料来自五个苜蓿品系的克隆。经过两轮双向选择后,选出了两个实验品系。 体外 中性洗涤纤维消化率(IVNDFD),来自具有低16小时IVNDFD和低96小时IVNDFD或高16小时IVNDFD和高96小时IVNDFD的母本植株12. 本研究还纳入了三个遗传背景未知的商用品系,并根据近红外光谱分析筛选母本植株,以确定(a)木质素含量最高、(b)木质素含量最低、以及(c)中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量最低的个体。这五个苜蓿品系于2021年5月从温室移栽至美国明尼苏达州两个地点的重复田间试验中。在每个生长季的第一茬和第二茬收获时,分别于植株发育的营养期、初蕾期、始花期、盛花期和绿荚期,从每个苜蓿品系中采集10根茎秆。取每根茎秆基部第七节间,切下后置于含有体积比为50:50的无水乙醇与超纯水混合液的50 mL离心管中,保存至横切面孵育。该方法基于本实验室团队在20世纪90年代前期开展的研究工作,当时已确定将第七节间作为研究单位4,6.
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作者声明,本研究的开展不存在任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系。本出版物中提及的商标名称或商业产品仅用于提供具体信息,并不意味着美国农业部的推荐或认可。美国农业部是一个提供平等机会的供应商和雇主。所有实验均遵守实验所在国美国的现行法律法规。
作者感谢 R. Ted Jeo 对以往相关工作的深入见解。感谢明尼苏达大学双城分校大学影像中心提供显微镜图像采集与分析软件,用于准备发表所需的图像。本研究由美国农业部—农业研究局 [062-21500-001-000D] 及非援助性合作协议(编号:58-5062-2-016)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 铝箔 | Boardwalk | 7106BW | 18 英寸 × 1,000 英尺;用于保护对光敏感的染色液免受光照 |
| 二水合氯化钙,纯度≥99% | Sigma Life Science | C7902-500G | CAS 号 10035-04-8;用于配制 McDougall’s 缓冲液的试剂 |
| 相机软件 | Nikon | NIS-Elements AR 5.42.04 | 64 位成像软件,用于图像采集与分析 |
| 二氧化碳气体 | Matheson | UN1013 | 工业级;用于在样品制备和孵育过程中维持无氧条件 |
| 循环水浴锅 | Precision | — | 温控循环水浴锅,用于将样品维持在 39 °C |
| 玉米秸秆标准品 | 明尼苏达大学 | NA | 2023 年秋季采自美国明尼苏达州圣保罗市;研磨至 1 mm,用作微生物底物 |
| 盖玻片 | Thermo Scientific | 3419 | 24 mm × 30 mm,1.5 号厚度,1 盎司 |
| 配备 FX 大尺寸 CMOS 图像传感器的 Digital Sight 10 彩色显微相机 | Nikon | MQA20000 | 数字彩色相机,用于获取明场显微图像 |
| 解剖显微镜 | Nikon | SMZ18 | 立体显微镜,用于定位和摆放茎横切面 |
| 双面胶带 | SelloTape Office Vinyl Double Sided Tape | 4270 | 2 mm × 53 m;用于将茎横切面固定在载玻片上 |
| 电子天平 | AND | GH-202 | 具有四位小数读数精度的分析天平 |
| 锥形瓶(125 mL) | Kimax | 25600 | 125 mL 锥形瓶;可与 5 号塞子配合使用 |
| 锥形瓶(25 mL) | Pyrex | 4980 | 25 mL 锥形瓶;可与 0 号塞子配合使用 |
| 乙醇(200 证明) | Fisher Scientific | 04-355-720 | 无水乙醇,用于配制染色液及染色前冲洗 |
| 挤塑聚苯乙烯硬质泡沫保温板 | Owens Corning | 1407788 | 1 英寸 × 2 英尺 × 2 英尺,R-5,15 PSI 泡沫板;用于在切片过程中支撑茎节间组织 |
| 镊子 | Fisher Scientific | 10-316A | 实验室镊子,用于操作茎段、载玻片和已固定的切片 |
| 载玻片 | FisherBrand | 125503 | 25 mm × 75 mm × 1 mm;用于固定茎横切面 |
| 圆底烧瓶(6 L) | Pyrex | CLS43205L-4EA | 6 L 玻璃烧瓶,用于配制或处理较大体积的溶液 |
| 甘油,实验室级液体 | Fisher Science Education | 525342C | CAS 号 56-81-5;甘油,用于封片和储存溶液 |
| 50 号双层粗棉布 | JINIOHEE Shop | B0FL27KXRN | 100% 棉,漂白白色;用于过滤瘤胃物质和瘤胃液 |
| 量筒(10 mL) | Pyrex | 700024 | 10 mL 量筒,用于测量液体体积 |
| 盐酸 | Fisher | A1445-500 | CAS 号 7647-01-0;与间苯三酚配合使用以配制 Wiesner 染液 |
| 工业级永久性记号笔 | Sharpie | 13601 | 细头;用于在孵育管上做防水标记 |
| 盐酸半胱氨酸水合物 | Sigma-Aldrich | C121800-10G | CAS 号 345909-32-2;还原剂,用于孵育液的配制 |
| 低尘擦拭纸 | Kimberly-Clark | 34155 | 4.5 英寸 × 8.5 英寸;用于吸除载玻片上多余液体而不残留纤维 |
| 低剖面切片刀片 | Leica 819 | 63065-LP | 替换用低剖面刀片,用于制备均匀的茎横切面 |
| 七水合硫酸镁 | Fisher Chemical | M80-500 | CAS 号 10034-99-8;用于配制 McDougall’s 缓冲液的试剂 |
| 磁力搅拌子 | Fisher Scientific | 03-411-783 | 76 mm × 12 mm;用于混合缓冲液和接种液 |
| 邮寄地址标签 | Avery | 5167 | 1/2 英寸 × 1 3/4 英寸;用于样品和载玻片的标识 |
| 画笔 | Loew-Cornell | — | 7000 系列,3 号圆头;细毛刷,用于转移和操作茎横切面 |
| 带盖培养皿 | Becton Dickinson Labware | 81731119 | 60 mm × 15 mm;用于在超纯水中临时存放茎横切面 |
| 间苯三酚,1,3,5-三羟基苯 | Sigma-Aldrich | P3502-25G | CAS 号 108-73-6;用于配制 Wiesner 染液的试剂 |
| 移液器(100 μL) | Gilson | P 1000; 767547M | 可调体积移液器,用于分配染色液 |
| 塑料漏斗 | Nalgene | 10-437-23E | 150 mm;用于试剂转移和过滤 |
| 聚丙烯烧杯(4 L) | Nalgene | 1201-4000 | 4 L 耐化学腐蚀烧杯,用于配制和混合接种液 |
| 氯化钾 | Fisher Chemical | P217-500 | CAS 号 7447-40-7;用于配制 McDougall’s 缓冲液的试剂 |
| 剃刀片 | Personna | 66-0089 | 厚度 0.009 英寸;用于手动修剪茎组织 |
| 钌红,氨合三氯氧化钌 | Sigma | R-2751 | CAS 号 11103-72-3;组织学染料,用于可视化果胶物质 |
| 剪刀 | Fiskars | 1063071 | 通用剪刀,用于裁剪胶带、泡沫和其他耗材 |
| 螺口锥形离心管(50 mL) | Corning | 430828 | 聚丙烯材质,无热原;用于样品盛放、孵育、冲洗和储存 |
| 滑动式切片机 | Leica | 2000R | 滑动式/推拉式切片机,用于制备 100 μm 厚的茎横切面 |
| 碳酸氢钠,ACS 级 | Fisher Chemical | S233-3 | CAS 号 144-55-8;用于配制 McDougall’s 缓冲液的试剂 |
| 氯化钠 | Fisher Chemical | — | CAS 号 7647-14-5;用于配制 McDougall’s 缓冲液的试剂 |
| 氢氧化钠 | Fisher Chemical | S318-500 | CAS 号 1310-73-2;用于配制还原溶液 |
| 无水磷酸氢二钠(Na2HPO4) | Sigma Aldrich | S-9763 | CAS 7558-79-4 |
| 无水硫化钠,ACS 级,纯度≥98.0% | Oakwood Chemicals | 245960 | CAS 号 1313-84-4;还原剂,用于配制孵育液 |
| 药匙 | Fisher Scientific | 14-375-10 | 实验室刮勺,用于转移粉末状试剂 |
| 磁力搅拌器 | Thermolyne by Sybron | 7200 | 磁力搅拌板,用于混合缓冲液和接种液 |
| 注射器(60 mL)配粗针头 | Monoject | 935401028 | 60 mL 注射器配大孔径针头,用于分配接种液 |
| 试管架 | Thermo Scientific | 14-809-44 | 用于整理和支撑 50 mL 孵育管的架子 |
| 温度计 | FisherBrand | 13201663 | 实验室温度计,用于验证溶液和水浴温度 |
| 直立式显微镜 | Nikon | Eclipse Ni | 直立明场显微镜,用于观察和成像染色后的茎横切面 |
| 循环泵 | Little Giant Pump Co. | 502203 | 型号 2E-38N;115 VAC,60 Hz,1.7 A;用于循环水浴并维持温度均匀 |
| 称量纸 | VWR Scientific Products | 12578-165 | 一次性称量纸,用于称量和转移固体试剂及玉米秸秆底物 |
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