Protokolle zur Untersuchung der Dynamik von Chloroplastenstromuli, den stromagefüllten Tubuli, die sich von der Oberfläche der Chloroplasten erstrecken, werden beschrieben.
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Protokolle zur Untersuchung der Dynamik von Chloroplastenstromuli, den stromagefüllten Tubuli, die sich von der Oberfläche der Chloroplasten erstrecken, werden beschrieben.
Stromuli oder "stromagefüllte Tubuli" sind schmale, röhrenförmige Fortsätze von der Oberfläche des Chloroplasten, die universell in Pflanzenzellen beobachtet werden, deren Funktionen jedoch rätselhaft bleiben. Neben der wachsenden Aufmerksamkeit für die Rolle von Chloroplasten bei der Koordination von Pflanzenreaktionen auf Stress hat das Interesse an Stromulen und ihrer Beziehung zur Dynamik der Chloroplasten-Signalgebung in den letzten Jahren zugenommen, unterstützt durch Fortschritte in der Fluoreszenzmikroskopie und Proteinfluorophore, die eine schnelle und genaue Visualisierung der Stromulendynamik ermöglichen. Hier stellen wir detaillierte Protokolle zur Verfügung, um die Stromulenfrequenz in den epidermalen Chloroplasten von Nicotiana benthamiana zu testen, einem hervorragenden Modellsystem zur Untersuchung der Biologie von Chloroplastenstromula. Wir bieten auch Methoden zur Visualisierung von Chloroplastenstromulen in vitro an, indem wir Chloroplasten aus Blättern extrahieren. Schließlich skizzieren wir Stichprobenstrategien und statistische Ansätze, um Unterschiede in den Stromule-Frequenzen als Reaktion auf Stimuli wie Umweltstress, chemische Behandlungen oder Gen-Silencing zu analysieren. Forscher können diese Protokolle als Ausgangspunkt nutzen, um neue Methoden für innovative Experimente zu entwickeln, um zu erforschen, wie und warum Chloroplasten Stromulen bilden.
Chloroplasten sind dynamische Organellen in Pflanzenzellen, die für die Photosynthese und eine Vielzahl anderer Stoffwechselprozesse verantwortlich sind. Die Signalwege des Chloroplasten haben ebenfalls einen signifikanten Einfluss auf die Physiologie und Entwicklung der Pflanzen und koordinieren die Reaktionen der Pflanzen auf Umweltstress, Krankheitserreger und sogar die Blattform1-6. In jüngster Zeit haben Biologen Interesse an einem wenig verstandenen Aspekt der Chloroplastenstruktur geweckt: Stromuli, sehr dünne, mit Stroma gefüllte Tubuli, die sich von der Oberfläche des Chloroplasten7 erstrecken.
Die biologischen Funktionen von Stromulen sind unbekannt, obwohl bekannt ist, dass die Stromulenfrequenz als Reaktion auf Umweltreizevariiert 7-9, und Stromulen möglicherweise in der Lage sind, Signalmoleküle zwischen Organellen zu übertragen6. Alle Arten von Plastiden (nicht nur die grünen, photosynthetischen Chloroplasten, sondern auch klare Leukoplasten, stärkegefüllte Amyloplasten und pigmentierte Chromoplasten, um nur einige Arten von Plastiden zu nennen) bilden Stromulen, und Stromuli kommen bei allen bisher untersuchten Landpflanzenarten vor. Stromulen können sich dynamisch aus- und zurückziehen und innerhalb von Sekunden erscheinen oder verschwinden, oder sie können über lange Zeit relativ stationär bleiben. Eine der größten Hürden für Stromule-Biologen besteht darin, dass Stromula oft mit dramatisch unterschiedlichen Methoden, Geweben und Spezies untersucht werden, was Vergleiche in der Literatur zur Stromule-Biologie erschwert. In Zukunft werden Standardpraktiken und gründliche Beschreibungen der experimentellen Systeme, die zur Untersuchung von Stromulen verwendet werden, entscheidend sein, um die Funktion dieser allgegenwärtigen Merkmale der Chloroplastenmorphologie zu entdecken.
Hier beschreiben wir Methoden zur Visualisierung der Stromulenbildung in den epidermalen Chloroplasten von Nicotiana benthamiana Blättern. Im Mesophyll sind die Chloroplasten dicht in großen, dreidimensionalen Zellen gepackt, was es schwierig macht, Stromula durch konfokale Mikroskopie genau und schnell sichtbar zu machen. Im Gegensatz dazu sind epidermale Zellen relativ flach, enthalten weniger Chloroplasten und befinden sich an der Oberfläche des Blattes, was eine einfache und schnelle Visualisierung von Stromula ermöglicht. N. benthamiana ist ein ideales Modellsystem für diese Experimente, da im Gegensatz zu vielen Pflanzenarten alle Zellen in der Epidermis von N. benthamiana Chloroplasten 10 bilden. In der Epidermis der meisten Pflanzen, einschließlich Arabidopsis thaliana, haben nur die stomatären Schließzellen Chloroplasten, während andere Epidermiszellen "Leukoplasten" haben, Plastiden, die klar, relativ amorph und nicht photosynthetisch sind9,11,12. Während also ein einzelnes Sichtfeld einer A. thaliana-Epidermis nur eine Handvoll Chloroplasten in einem Paar Schließzellen zeigen kann, umfasst das Sichtfeld einer N. benthamiana-Epidermis Dutzende oder sogar Hunderte von Chloroplasten. Alle hier beschriebenen Methoden können jedoch modifiziert werden, um andere Fragen der Stromule-Biologie zu untersuchen; zum Beispiel haben wir den gleichen Ansatz verwendet, um die Leukoplastenstromula von A. thaliana9 zu untersuchen.
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HINWEIS: Für dieses Protokoll haben wir auf Testen Stromulus Frequenz in der Epidermis von N. fokussiert benthamiana verlässt. Mehrere stabile transgene Linien erzeugt worden , die für diesen Zweck verwendet werden können, einschließlich 35S PRO: FNRtp: EGFP 13 und NRIP1: Cerulean 6. Beide Linien zeigen robuste Expression von Fluorophoren in den Chloroplasten Stroma der Blätter unter einer Vielzahl von Bedingungen gewachsen. Alternativ Chloroplasten-bezogene Fluorophore transient in N. ausgedrückt werden kann benthamiana unter Verwendung von Agrobacterium - Transformationen 13. Dies ist weniger ideal als die transgenen Linien, da einige basalen Abwehrreaktionen in N. induzieren Agrobacterium Infiltrationen benthamiana und Wechselwirkungen mit Agrobacterium kann Stromulus Frequenz in dem Blatt 14, die möglicherweise zu verkomplizieren Interpretation der Ergebnisse zu ändern. Schließlich Stromulus Bildung in vitro zu visualisieren,Chloroplasten können aus jeder beliebigen Pflanzenspezies, entweder genetisch codierten Fluorophore oder einen fluoreszierenden Farbstoff extrahiert werden, wie in Kapitel 5 unten. 9,15
HINWEIS:. Detaillierte Beschreibung der Methoden für Pflanzenanbau wurden bereits beschrieben 16 Kurz gesagt, wachsen N. benthamiana Pflanzen in 4 "Töpfe mit jeder professionellen Bodenmischung gefüllt , die eine gute Drainage zur Verfügung stellt. Decken Sie Sämlinge mit einem durchsichtigen Kunststoff - Kuppel in den ersten 10 bis 14 Tage , um eine feuchte Umgebung für die Keimung zur Verfügung zu stellen. In jedem Standard - Dünger - Mix Anweisungen folgen Herstellers zu 14- Tage alten Pflanzen. wachsen Pflanzen unter weißem Licht, mit ~ 100 & mgr; mol Photonen m -2 s -1 Lichtintensität. Wasserpflanzen regelmäßig.
1. Vorbereiten Blattproben für Visualisierung
HINWEIS: Stromulus Dynamik durch Verwundung 8 betroffen, so sollten Gewebepräparation sofort durchgeführt werden , bevor Stromulus Visualisierungs durch konfokale Fluoreszenzmikroskopie. Idealerweise sollte eine Probe mit 15 min nach Entnahme aus der Anlage visualisiert werden.
2. Visualizing Stromules mit der konfokalen Fluoreszenzmikroskopie
3. Bildverarbeitung
4. Experimentelles Design und Sampling
HINWEIS: Stromulus Frequenz ist sehr variabel zwischen Blättern, aber mehrere Berichte deuten darauf hin, daß es wenig Variation in Stromulus Frequenz innerhalb eines indiviDoppelblatt 9,17.
5. Extrahieren von Intact Chloroplasten Stromulus Dynamics zu visualisieren
HINWEIS: Mehrere Methodeneinem etwas anderes Protokoll zu isolieren Chloroplasten von Blättern verwendet werden, einschließlich in einer aktuellen Studie über Stromulus Bildung in vitro 15 wurden. Das Protokoll detailliert unten verwendet eine relativ einfache Methode , die nicht biochemisch reinen Chloroplasten Proben nicht fließt, sondern hat stattdessen eine große Menge an intakten, gesunden Chloroplasten 9,18 isolieren.
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Dieses Protokoll wurde verwendet , Stromulus Frequenz am Tag sichtbar zu machen und in der Nacht in den Kotyledonen der jungen N. benthamiana Sämlinge. Scheiben von einem z- Stapel wurden in einem einzigen Bild (Abbildung 1A) verschmolzen. Zur visuellen Zwecken wurde das Bild dann entsättigt und invertiert , so daß Stroma erscheint schwarz (1B). Die Chloroplasten wurden beschriftet entweder als keine stromules mit (grüner Stern) oder mi...
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Wenn stromules untersuchen, drei wichtige Faktoren müssen in allen in Betracht gezogen werden: (i) Manipulation des Pflanzengewebes muss auf ein absolutes Minimum beschränkt werden, (ii) das experimentelle System muss konsistent gehalten werden, und (iii) Probenahmestrategien sorgfältig geplant werden müssen, um sicherzustellen, robust, sind reproduzierbare Daten analysiert.
Stromules sind bemerkenswert dynamisch: sie, bevor ein Beobachter die Augen unter dem Mikroskop schnell ein- und ausfa...
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Die Autoren haben nichts offenzulegen.
J.O.B. und A.M.R. wurden durch Predoctoral Fellowships der National Science Foundation unterstützt.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Hepes | Sigma-Aldrich | H3375 | |
| NaOH | Fischer-Scientific | S320-1 | |
| Sorbit | Sigma-Aldrich | S1876 | |
| EDTA | Fischer-Biotech | BP121 | |
| MnCl2 | Sigma-Aldrich | 221279 | |
| MgCl2 | Sigma-Aldrich | M0250 | |
| KCl | Sigma-Aldrich | P3911 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S9625 | |
| Konfokales Laser-Scanning-Mikroskop | Carl Zeiss Inc | Modell: LSM710 | |
| Carboxyfluoresceindiacetat (CFDA) | Sigma-Aldrich | 21879 | |
| Dimethylsulfoxid (DMSO) | EMD | MX1458-6 | |
| Waring Mixer | Waring | Modell: 31BL92 | |
| Fiji | fiji.sc | Open-Source-Software zur Analyse biologischer Bilder |
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