地磁场（Gmf）与植物进化：研究地磁场反转对Arabidopsis thaliana发育和基因表达的影响

本实验的总体目标是利用电源控制的赫姆霍兹线圈产生地磁场（GMF）的反向环境。最终结果表明，地磁场反向会影响植物的形态结构和基因表达。该方法有助于回答植物进化领域中的一些关键问题，例如地球磁场反向是否在植物进化与适应过程中发挥了作用。

该技术的主要优势在于，它可用于检测弱磁场对一种简单模式生物的潜在生物学效应，该生物可在精确控制的条件下大量重复培养。本次实验操作将由我实验室的阿尔贝托·博科（Alberto Bocco）和一名指导下的学生，以及我实验室的博士生基阿拉·阿（Kiara aa）和我团队中的副教授奇亚拉·贝尔特亚（CIA Bertea）共同演示。

首先，打开连接至三组亥姆霍兹线圈对的三个直流电源，并打开三轴磁力计，其探头已插入三轴线圈中。启动计算机并运行磁力计软件，以采集来自三轴磁力计的数据。这些电源还通过A-G-P-I-B接口连接至计算机，以便进行控制。

根据文本方案中的描述，调节电源电压，以产生具有反向磁场矢量的所需磁场。将拟南芥（Arabidopsis Aliana ecotype Columbia）种子置于经次氯酸钙溶液处理10至12分钟（25至28摄氏度，持续振荡）灭菌的1.5毫升离心管表面。随后用80%乙醇清洗种子两次，再用100%乙醇洗涤一次。

最后，用无菌蒸馏水冲洗。根据文本方案所述，在凝固前配制一升Murrah Shiga和SCOG改良培养基。将80毫升培养基倒入每个方形培养皿中，每皿放置30粒无菌种子。

然后用蜡膜密封培养板。将培养板在4°C黑暗条件下水平春化处理两天，以促进并同步萌发。春化处理结束后，通过在聚光灯上覆盖蓝色明胶膜来减少钠灯的红光成分，从而准备钠蒸气灯。

准备将培养皿暴露于正常或反向的地磁场（GMF）中。在温度控制为22摄氏度的环境中，将种子垂直放置并进行暴露处理。平行实验同时在三轴线圈外部和内部进行。

在8小时黑暗和16小时光照的光周期条件下培养。暴露处理后，拍摄培养皿的照片，以计算根长和叶面积。首先，测量培养皿的边长。

然后在 ImageJ 软件中打开培养皿的图像，使用直线工具绘制一条恰好穿过培养皿一侧的直线。在分析菜单中，选择“设置比例尺”，在“已知距离”框中输入实际距离，然后输入长度单位。

最后，点击全局选项，使根长的设置对所有测量均生效。使用手绘工具仔细沿根的轮廓进行追踪，然后通过分析菜单中的测量选项测定长度。

继续测量图片中的所有根系，并保存文件以供进一步的统计分析。对于图像菜单中的叶面积，使用调整选项，随后选择颜色阈值，选中单个叶片，然后在分析菜单中选择分析颗粒，保存各个测量数据用于统计分析。分别收集30个茎和30个根，并立即用液氮速冻。

然后在研钵中用液氮研磨，随后按照文中的实验方案分离总RNA；所有实验均使用含ROX作为内部参比染料的SYBR Green试剂，在实时定量系统上进行，反应体系为25 µL。使用文中列出的引物，并设置无逆转录酶对照以监测基因组DNA污染，同时设置无模板对照。每个退火和延伸阶段结束后读取荧光信号。

两个放大镜代表收集的数据，包括退火和解离曲线。导航至分析和设置界面，确保已选中实验解离阶段期间收集的数据集。针对所有运行的分析，通过在热循环程序中包含解离阶段，进行 55 至 95 摄氏度的熔解曲线分析。

通过结果选项卡中的解离曲线分析界面查看解离曲线图谱。使用实时PCR仪器配套软件分析所有扩增曲线。

为了获得CT值，需使用最适管家基因的表达水平对相对RNA水平进行校准和归一化。通过结果标签页进入扩增曲线分析界面。在分析、选择和设置界面中，选择需要分析数据的扩增阶段（上升期或平台期）。

然后从命令面板的荧光菜单中选择基线校正后的归一化荧光值。通过结果选项卡进入孔板样本值界面，以显示所选孔的CT值。

使用四种不同的参考基因对实时 PCR 的结果进行标准化。利用分析软件选择排名最高的基因，并选用最稳定的基因进行标准化。简要地在 Excel 工作表中整理输入数据，第一列为基因名称，第一行为样本名称。

然后从菜单栏中选择分析软件。使用对话框选择输入数据。接下来，勾选字段样本名称、基因名称，并仅选择简单输出。

点击运行按钮以执行分析，选择排名最高的基因为候选基因，该基因表达最稳定。在暴露10天后，对照植物的根长显著更长，小叶展开程度更大，相比之下，暴露于反向地磁场（GMF）条件下的植物在10天暴露后表现出较小的根长和较少展开的小叶。反向地磁场（GMF）的影响导致所有检测基因的表达发生剧烈变化，包括芥子蛋白、三个铜转运蛋白基因之一以及氧化还原响应转录因子1；图中柱状图表示标准误差，星号表示暴露于反向与正常地磁场（GMF）条件下的植物之间存在显著差异。

逆转地磁场（GMF）对地上部分基因表达无显著影响。然而，在根部基因表达中观察到显著的下调现象。在逆转GMF条件下，这些基因包括thal、aate过氧化物酶、aate过氧化物酶、一种铁超氧化物歧化酶、一种NADPH呼吸爆发氧化酶蛋白以及catalyst three。

一旦掌握，根据实验需求，该技术可在数分钟内完成。观看本视频后，您应能充分了解如何反转或改变地磁场，并对暴露于磁场中的植物进行形态学和遗传学研究。在实施该操作过程中，重要的是移除头盔线圈所包围区域内的任何磁场源。

头盔线圈及其发生器不得产生热量或振动，这一点非常重要。在最终数据记录完成之前，研究人员应处于对磁场暴露条件不知情的盲态。该技术已使磁感应领域的研究者能够探索磁场对植物进化、动物行为与导航以及人类细胞系的影响。

未来，我们希望在微重力条件下开展类似研究，以评估磁场变化在太空环境中对植物生长的影响。使用产生弱磁场的系统通常被认为没有危险性。然而，您仍应采取常规预防措施，并在使用如亥姆霍兹线圈对的电源等设备前，咨询合格电工的建议。