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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Der Tomatensamen ist ein wichtiges Modell für das Studium der Genetik und Entwicklungsbiologie während der Pflanzenvermehrung. Dieses Protokoll ist nützlich, um Tomatensamen in verschiedenen Entwicklungsstadien zu entfernen, um die feinere embryonale Struktur zu beobachten.
Tomate (Solanum lycopersicum L.) ist eine der wichtigsten Cash Crops weltweit. Der Tomatensamen ist ein wichtiges Modell für das Studium der Genetik und Entwicklungsbiologie während der Pflanzenvermehrung. Die Visualisierung einer feineren embryonalen Struktur innerhalb eines Tomatensamens wird oft durch Samenhüllenschleim, mehrzellige Schichtintegument und ein dickwandiges Endosperm behindert, das durch mühsames Einbetten aufgelöst werden muss. Eine einfachere Alternative ist der Einsatz von Gewebereinigungstechniken, die das Saatgut mit chemischen Mitteln nahezu transparent machen. Obwohl herkömmliche Clearingverfahren einen tiefen Einblick in kleinere Samen mit dünnerer Samenhülle ermöglichen, ist die Klärung von Tomatensamen vor allem in den späten Entwicklungsstadien eine technische Herausforderung.
Hier wird ein schnelles und arbeitssparendes Clearing-Protokoll vorgestellt, um die Entwicklung von Tomatensamen 3 bis 23 Tage nach der Blüte zu beobachten, wenn die embryonale Morphologie fast abgeschlossen ist. Diese Methode kombiniert eine in Arabidopsis weit verbreitete Chloralhydrat-basierte Reinigungslösung mit anderen Modifikationen, einschließlich des Wegfalls der Formalin-Aceto-Alkohol (FAA) -Fixierung, der Zugabe von Natriumhypochlorit-Behandlung von Samen, der Entfernung der erweichten Samenschichtschleimhaut sowie des Waschens und der Vakuumbehandlung. Diese Methode kann zur effizienten Reinigung von Tomatensamen in verschiedenen Entwicklungsstadien angewendet werden und ist nützlich bei der vollständigen Überwachung des Entwicklungsprozesses von mutierten Samen mit guter räumlicher Auflösung. Dieses Clearing-Protokoll kann auch auf die Tiefenbildgebung anderer kommerziell wichtiger Arten in den Solanaceae angewendet werden.
Tomate (S. lycopersicum L.) ist eine der wichtigsten Gemüsekulturen der Welt, mit einer Produktion von 186,8 Millionen Tonnen fleischigen Früchten von 5,1 Millionen Hektar im Jahr 20201. Es gehört zur großen Familie der Solanaceae mit etwa 2.716 Arten2, darunter viele kommerziell wichtige Kulturen wie Auberginen, Paprika, Kartoffeln und Tabak. Die Kulturtomate ist eine diploide Art (2n = 2x = 24) mit einer Genomgröße von ca. 900Mb3. Seit langem werden große Anstrengungen unternommen, um Tomatendomestizierung und -züchtung zu züchten, indem wünschenswerte Merkmale aus wilden Solanum spp. Es gibt über 5.000 Tomatenakzessionen, die im Tomato Genetics Resource Center aufgeführt sind, und mehr als 80.000 Keimplasma von Tomaten werden weltweit gelagert4. Die Tomatenpflanze ist mehrjährig im Gewächshaus und vermehrt sich durch Samen. Ein reifer Tomatensamen besteht aus drei Hauptkompartimenten: einem ausgewachsenen Embryo, einem zellulären Endosperm und einer harten Samenschale 5,6 (Abbildung 1A). Nach doppelter Befruchtung geht die Entwicklung von zellulärem Endosperm der Entwicklung von Zygoten voraus. Bei ~5-6 Tagen nach der Blüte (DAF) wird erstmals ein zweizelliger Proembryo beobachtet, wenn das Endosperm aus sechs bis acht Kernen besteht7. Bei Solanum pimpinellifolium nähert sich der Embryo nach 20 DAF seiner endgültigen Größe, und die Samen sind nach 32 DAF8 für die Keimung geeignet. Wenn sich der Embryo entwickelt, wird das Endosperm allmählich absorbiert und nur eine kleine Menge Endosperm verbleibt im Samen. Das restliche Endosperm besteht aus mikropylarem Endosperm, das die Radikelspitze umgibt, und seitlichem Endosperm im Rest des Samens 9,10. Die äußere Samenhülle wird aus verdickter und verholzter äußerer Epidermis des Integuments entwickelt, und mit den abgestorbenen Schichten von Integumentresten bilden sie eine harte Schale, um den Embryo und das Endosperm zu schützen5.

Abbildung 1: Schematische Darstellung eines reifen Samens in Solanum lycopersicum und Arabidopsis thaliana. (A) Längsanatomie eines reifen Tomatensamens. (B) Längsanatomie eines reifen Arabidopsis-Samens. Ein reifer Tomatensamen ist etwa 70-mal größer als ein Arabidopsis-Samen. Maßstabsbalken = (A) 400 μm, (B) 100 μm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Die Produktion hochwertiger Tomatensamen hängt von der Koordination zwischen dem Embryo, dem Endosperm und den mütterlichen Samenbestandteilen ab11. Die Analyse von Schlüsselgenen und Netzwerken in der Samenentwicklung erfordert eine tiefe und vollständige phänotypische Aufzeichnung von mutierten Samen. Konventionelle Einbettungsschnitttechniken, wie der Halbdünnschliff und der Paraffinschnitt, werden häufig auf Tomatensamen angewendet, um die lokalen und feineren Strukturen des Embryoszu beobachten 12,13,14,15. Die Analyse der Seed-Entwicklung aus dünnen Schnitten ist jedoch in der Regel mühsam und es fehlt die räumliche Auflösung der z-Achse. Im Vergleich dazu ist die Gewebereinigung eine schnelle und effiziente Methode, um das Entwicklungsstadium von embryonalen Defekten zu bestimmen, die am wahrscheinlichsten auftreten16. Das Clearing-Verfahren verringert die Undurchsichtigkeit des inneren Gewebes durch Homogenisierung des Brechungsindex mit einem oder mehreren biochemischen Mitteln16. Die gesamte Gewebereinigung ermöglicht die Beobachtung einer pflanzlichen Gewebestruktur, ohne ihre Integrität zu zerstören, und die Kombination von Clearing-Technologie und dreidimensionaler Bildgebung ist zu einer idealen Lösung geworden, um Informationen über die Morphologie und den Entwicklungszustand eines Pflanzenorgans zu erhalten17,18. Im Laufe der Jahre wurden Samenreinigungstechniken bei verschiedenen Pflanzenarten eingesetzt, darunter Arabidopsis thaliana, Hordeum vulgare und Beta vulgaris 19,20,21,22,23. Unter diesen war die Whole-mount-Eizellenreinigungstechnologie ein effizienter Ansatz zur Untersuchung der Samenentwicklung von Arabidopsis, aufgrund ihrer geringen Größe, 4-5 Schichten der Samenhüllenzelle und des nuklearen Endosperms24,25. Mit der kontinuierlichen Aktualisierung verschiedener Clearing-Mischungen, wie dem Auftauchen der Hoyer-Lösung26, wurden die inneren Strukturen der Gerstenzelle mit einem hohen Grad an Klarheit abgebildet, obwohl ihr Endosperm den Großteil der Samen ausmacht. Die Embryogenese von Zuckerrüben kann durch Reinigung in Kombination mit Vakuumbehandlung und Erweichung mit Salzsäurebeobachtet werden 19. Im Gegensatz zu den oben genannten Arten wurden jedoch keine embryologischen Beobachtungen durch Clearing-Protokolle in Tomatensamen berichtet. Dies verhindert eine detaillierte Untersuchung der Embryonal- und Samenentwicklung von Tomaten.
Chloralhydrat wird üblicherweise als Reinigungslösung verwendet, die es ermöglicht, die eingetauchten Gewebe und Zellen auf verschiedenen optischen Ebenen darzustellen und die Zellen oder Gewebekomponenten im Wesentlichen zu erhalten 27,28,29. Das auf Chloralhydrat basierende Clearing-Protokoll wurde erfolgreich für die gesamte Reinigung von Samen verwendet, um den Embryo und das Endosperm von Arabidopsis21,28 zu beobachten. Diese Clearing-Lösung ist jedoch nicht effizient bei der Reinigung von Tomatensamen, die undurchlässiger sind als Arabidopsis-Samen. Zu den physischen Barrieren gehören: (1) das Tomatenintegument hat fast 20 Zellschichten bei 3 bis 15 DAF 30,31, (2) das Tomatenendosperm ist zellulär, nicht vom Kerntyp 32, und (3) Tomatensamen sind etwa70-mal größer in der Größe33,34 und (4) produzieren große Mengen an Samenmantelschleimstoffen, die das Eindringen von Reinigungsreagenzien blockieren und die Visualisierung von Embryozellen beeinträchtigen.
Daher stellt dieser Bericht eine optimierte Chloralhydrat-basierte Clearing-Methode für die vollständige Reinigung von Tomatensamen in verschiedenen Stadien vor, die eine tiefe Bildgebung des Embryo-Entwicklungsprozesses ermöglicht (Abbildung 2).
1. Vorbereitung von Lösungen
2. Saatgutsammlung
3. Chloralhydrat-basierte Reinigung von Samen
HINWEIS: Konventionelle35 und optimierte Protokolle wurden in dieser Studie hinsichtlich ihrer Saatgutreinigungseffizienz verglichen.
Wenn Tomatensamen mit einer herkömmlichen Methode wie bei Arabidopsis entfernt wurden, blockierten dichte Endospermzellen die Visualisierung früher Tomatenembryonen bei 3 DAF und 6 DAF (Abbildung 3A,B). Als das Gesamtvolumen des Embryos zunahm, war ein kugelförmiger Embryo bei 9 DAF kaum zu unterscheiden (Abbildung 3C). Als die Samengröße jedoch weiter zunahm, nahm ihre Permeabilität ab, was zu einem unscharfen Herzembryo bei 12 DAF führte (Abbildung 3D). Ab 13 DAF wurden Samenschleim und Saatschale allmählich dichter, wodurch das Eindringen von Klärmitteln verhindert wurde. Der Umriss des Embryos in 14-19 DAF-Samen war extrem verschwommen, selbst wenn die Behandlungszeit auf 7 Tage verlängert wurde (Abbildung 3E-G). Bei 22 DAF-Samen war die innere Struktur des Samens vollständig unsichtbar (Abbildung 3H).
Daher wurde das konventionelle Chloralhydrat-basierte Clearingverfahren optimiert, um eine effiziente Reinigung von Tomatensamen zu ermöglichen. Details zu allen Schritten sind in Tabelle 1 aufgeführt. Erstens wurden die FAA-Fixierungs- und Ethanol-Dehydratisierungsschritte, die bei herkömmlichen Clearing-Verfahren häufig erforderlich sind, im Protokoll weggelassen. Während die FAA-Fixierung im Allgemeinen verwendet wird, um die morphologische Struktur und die zellulären Komponenten vor dem Zerfall zu bewahren, wurde (in dieser Studie) festgestellt, dass die innere Struktur von Tomatensamen nicht leicht deformiert wurde und trotz des Fehlens von FAA-Fixierung und Ethanol-Dehydratation gut erhalten blieb.
Zweitens ist der Samenmantelschleim, der von den epidermalen Zellen der Samenhülle produziert wird, ab 13 DAF sehr ausgeprägt (Abbildung 4). Der polysaccharidreiche Samenschleim zeigte eine hohe Viskosität und eine signifikant geringe Permeabilität35,36. Erste Versuche, es zu entfernen, ohne die Samenschale mit feinen Pinzetten und Nadeln unter einem Seziermikroskop zu zerstören, scheiterten leider. Dies liegt daran, dass die Samenhülle spröde und eng mit dem Schleim verbunden ist. Darüber hinaus führt das Vorhandensein von Pigment in der Samenschale weiter zu einer Verschlechterung der Qualität des Hellfeldbildes37. Um dieses Problem zu überwinden, wurden die Samen mit einer Desinfektionslösung aus 1,2% Natriumhypochlorit und 0,1% Tween 20 behandelt. Die Bleichwirkung von Natriumhypochlorit ermöglicht eine eindeutige Identifizierung der inneren Samenhülle und schafft eine relativ sterile Umgebung, in der Proben lange gelagert werden können. Die Verwendung von Waschmittel Tween 20 könnte die Oberflächenspannung senken und die Samendurchlässigkeit erhöhen. Noch wichtiger ist, dass nach diesem Schritt der größte Teil des anhaftenden Schleims vom Samen gelöst werden kann, ohne die Samenhülle zu beschädigen (Abbildung 4). Fortan wurden die behandelten Samen in einem 2-ml-Zentrifugenröhrchen zusammengefasst und bei Raumtemperatur in einem Orbitalschüttler (30 U/min) inkubiert.
Drittens wurde eine Vakuumbehandlung verwendet, um das Eindringen der Clearing-Lösung in die Embryonen im mittleren und späten Stadium zu beschleunigen. Da Tomatensamen nach 12 DAF besonders größer sind, wurden herkömmliche Objektträger bei der DIC-Bildgebung durch einzelne konkave Objektträger ersetzt.
Nach der Behandlung nach dem optimierten Clearing-Protokoll zeigten Tomatensamen in allen getesteten Entwicklungsstadien eine zufriedenstellende Transparenz (Abbildung 5A-L). Im Gegensatz zu unscharfen Zellkonturen, die mit herkömmlichen Protokollen erhalten wurden, waren unterschiedliche Zellschichten der Samenhülle bei 3 DAF sichtbar (Abbildung 5A). Endospermzellen waren bei 5 DAF besser unterscheidbar (Abbildung 5B). Der stabförmige Embryo erschien bei 7 DAF, und dann erreichte der Embryo das kugelförmige Stadium bei 9 DAF und das Herzstadium bei 11 DAF (Abbildung 5C-E). Während dieser Entwicklungsstadien waren die Umrisse der Zellen im Inneren des Embryos am deutlichsten sichtbar. Im Vergleich zur herkömmlichen Methode erzeugte das optimierte Protokoll eine deutlich bessere Bildqualität vom Herzstadium bis zum reifen Embryostadium. Als die embryonale Entwicklung das frühe Torpedostadium bei 13 DAF, das mittlere Torpedostadium bei 14 DAF, das späte Torpedostadium bei 15 DAF, das frühe Keimblattstadium bei 16 DAF, das gebogene Keimblattstadium bei 19 DAF und 21 DAF und den reifen Embryo bei 23 DAF erreichte, war der Grad der Kräuselung von Keimblättern und Sprossapikalmeristem sehr leicht zu erfassen (Abbildung 5F-L ). Nach 23 DAF war es jedoch nicht möglich, die Details im Embryo zu visualisieren, selbst wenn die Clearing-Behandlung auf über 1 Woche verlängert wurde.

Abbildung 2: Flussdiagramm des konventionellen Protokolls und des optimierten Protokolls. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Differentielle Interferenzkontrastbilder von S. lycopersicum Eizellen, die mit der konventionellen Clearing-Methode behandelt wurden. (A) Eine Eizelle mit unscharfem Embryosack bei 3 DAF. (B) Embryosack mit sichtbaren Endospermzellen (Pfeilspitzen) bei 6 DAF. (C) Ein kaum unterscheidbarer kugelförmiger Embryo bei 9 DAF. Ein unscharfer Embryo bei (D) 12, (E) 14, (F) 16 und (G) 19 DAF. (H) Die innere Struktur des Samens ist bei 22 DAF völlig unsichtbar. Maßstabsbalken = 25 μm; em = Embryo; es = Embryosack. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 4: Desinfektion von S. lycopersicum-Samen in verschiedenen Entwicklungsstadien. Die oberen Bilder (A1-F1) sind die gestreiften Samen der sich entwickelnden Früchte bei (A1) 11, (B1) 12, (C1) 14, (D1) 16, (E1) 18 und (F1) 21 DAF, während die unteren Bilder (A2-F2) Samen sind, die mit Desinfektionslösung behandelt wurden. In A2-F2 ist die innere Saatkontur deutlich zu erkennen. Maßstabsbalken = 1 mm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 5: Differentielle Interferenzkontrastbilder von S. lycopersicum-Embryonen, die mit dem optimierten Protokoll entfernt wurden. (A-L) DIC-Mikroskopiebilder der Tomateneizelle mit sichtbarem Embryosack bei (A) 3 DAF und (B) 5 DAF, (C) einem stabförmigen Embryo bei 7 DAF, (D) einem kugelförmigen Embryo bei 9 DAF, (E) einem Herzembryo bei 11DAF, (F) ein früher Torpedoembryo bei 13 DAF, (G) ein mittlerer Torpedoembryo 14 DAF, (H) ein später Torpedoembryo bei 15 DAF, (I) ein früher Keimblattembryo bei 16 DAF, ein gebogener Keimblattembryo bei (J) 19 DAF und (K) 21 DAF und (L) ein reifer Embryo bei 23 DAF. Maßstabsbalken = 50 μm; em = Embryo; sc = Samenhülle; en = Endosperm; es = Embryosack; hy = Hypokotyl; co = Cotyledon; r = Radikel; sa = apikal schießen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
| Gewebeaufbereitung | Entwicklung des Embryos | ||||||
| 3-7 DAF | 8-10 DAF | 11-13 DAF | 14-16 DAF | 17-20 DAF | 21-23 DAF | ||
| 1 | Anzahl frisches Saatgut | 50 | 40 | 30 | 20 | 15 | 10 |
| 2 | Desinfektion | 1,5 ml, 3 min | 1,5 ml, 10 min | 1,5 ml, 20 min | 1,5 ml, 30 min | 1,5 ml, 40 min | 1,5 ml, 50 min |
| 3 | Abschälen des Schleims | Nein | Nein | Ja | Ja | Ja | Ja |
| 4 | Waschen | 5x 10 s | |||||
| 5 | Lichtung | 2x das Volumen der Samen | |||||
| 6 | Absaugend | Nein | 1 x 10 min | 2 x 10 Minuten | 3 x 10 min | 4 x 10 Minuten | 5 x 10 min |
| 7 | Inkubation | 30 Minuten | 2 Std. | 3 Std. | 8 Std. | 1–4 Tage | 3–7 Tage |
Tabelle 1: Optimierung des Protokolls zur Verbesserung der Clearing-Wirksamkeit bei Tomatensamen. 1 = Batch-Operationen, Clearing-Beobachtung einer großen Anzahl von Saatgut auf einmal; Samen wurden in ein 2 ml Zentrifugenröhrchen gegeben. 2 = Desinfektion mit 6% NaClO:dH2O:Tween-20, im Verhältnis 200:800:1 (v/v); Alle Schritte wurden auf einem Orbitalschüttler mit 30 U/min Schütteln durchgeführt. 3 = Alle Schritte wurden unter einem Seziermikroskop mit Pinzette und Seziernadeln durchgeführt, sofern nicht anders angegeben. 4 = Die Samen wurden nach jedem Schritt mit destilliertem Wasser gewaschen. 5 = Reinigung mit 100% Glycerin:Chloralhydrat:dH2O, in Anteilen von 1:8:2 (v/w/v). 6 = Jede Vakuumbehandlung dauerte 10 min und wurde in Abständen von 10 min verteilt. 7 = Durch frische Reinigungslösung ersetzen und Samen lichtgeschützt bei Raumtemperatur lagern; Bei Samen von 17 DAF bis 23 DAF die Reinigungslösung durch eine frische Lösung ersetzen und während der gesamten Inkubationszeit täglich 10 Minuten lang vakuumieren.
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Der Tomatensamen ist ein wichtiges Modell für das Studium der Genetik und Entwicklungsbiologie während der Pflanzenvermehrung. Dieses Protokoll ist nützlich, um Tomatensamen in verschiedenen Entwicklungsstadien zu entfernen, um die feinere embryonale Struktur zu beobachten.
Die Autoren danken Dr. Jie Le und Dr. Xiufen Song für ihre hilfreichen Vorschläge zur differentiellen Interferenzkontrastmikroskopie bzw. zur konventionellen Clearing-Methode. Diese Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China (31870299) und der Youth Innovation Promotion Association der Chinesischen Akademie der Wissenschaften finanziert. Abbildung 2 wurde mit BioRender.com erstellt.
| 1.000 & Mikro; L Pipette | GILSON | FA10006M | |
| 1.000 µ L Pipettenspitzen | Corning | T-1000-B | |
| 2 ml Zentrifugenröhrchen | Axygen | MCT-200-C | |
| 37% Formaldehyd | DAMAO | 685-2013 | |
| 5.000 & micro; L Pipette | Eppendorf | 3120000275 | |
| 5.000 µ L Pipettenspitzen | Biosharp | BS-5000-TL | |
| 50 ml Zentrifugenröhrchen | Corning | 430829 | |
| Absolute Ethanol | BOYUAN | 678-2002 | |
| Flasche Glas | Fisher | FB800-100 | |
| Chloralhydrat | Meryer | M13315-100G | |
| Deckglas | Leica | 384200 | |
| DIC Mikroskop | Zeiss | Axio Imager A1 | 10-fache, 20-fache und 40-fache Vergrößerung |
| Desinfektionsmittel | QIKELONGAN | 17-9185 | |
| Präpariernadel | Bioroyee | 17-9140 | |
| Blumennährstoff Erde | FANGJIE | ||
| Pinzette | HAIOU | 4-94 | |
| Eisessig | BOYUAN | 676-2007 | |
| Glycerin | Solarbio | G8190 | |
| Magnetrührer | IKA | RET basic | |
| Micro-Tom | Tomato Genetics Resource Center | LA3911 | |
| Orbitalschüttler | QILINBEIER | QB-206 | |
| Aussaatsubstrat | PINDSTRUP | LV713/018-LV252 | Siebung: 0-10 mm |
| Einfacher konkaves Objektträger | HUABODEYI | HBDY1895 | |
| Objektträger | Leica | 3800381 | |
| Stereomikroskop | Leica | S8 APO | 1x bis 4x Vergrößerung |
| Weißblechfolie | ZAOWUFANG | 613 | |
| Tween 20 | Sigma | P1379 | |
| Vakuumpumpe | SHIDING | SHB-III | |
| Vortexmeter | Silogex | MX-S |