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Die Mikroskopie ist seit langem ein Grundpfeiler für die Untersuchung der Chromatinorganisation und der Kernarchitektur und zeigt auf, wie DNA und histonassoziierte Proteine im 3D-Kernraum arrangieren und die Genregulationbeeinflussen 1,2. Die konventionelle Fluoreszenzmikroskopie hat wertvolle Erkenntnisse in großräumige Chromatindomänen wie Chromosomenterritorien, Chromozentren und Kernkörpergeliefert, die in situ möglich sind, insbesondere in Wurzelgewebe für Pflanzen 3,5,6. Diese Techniken sind jedoch grundlegend durch die Beugungsbarriere des Lichts begrenzt, die die räumliche Auflösung auf etwa 200 nm lateral und 500 nm axial7 begrenzt. Diese Einschränkung verschleiert nanoskalige Details der Chromatinfaltung, Histonmodifikationsmuster und transkriptionaler Kompartimentierung, die der epigenetischen Regulation zugrunde liegen. Um diese Hürde zu überwinden, wurden Super-Auflösungsmikroskopie-(SRM)-Ansätze wie strukturierte Beleuchtungsmikroskopie (SIM)8, stimulierte Emissionsdepletion (STED)9,10 und Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie (SMLM)11,12 entwickelt, um Auflösungen von 100 nm bis zu wenigen nm13 zu erreichen.
Unter den SRM-Techniken bietet SMLM – einschließlich PhotoActivated Localization Microscopy (PALM)13 und Direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (dSTORM) – eine außergewöhnliche räumliche Auflösung in Kombination mit molekularer Spezifität14. Durch die Erkennung der Positionen einzelner Fluorophore über die Zeit rekonstruiert SMLM hochpräzise nanoskalige Bilder von Chromatindomänen, Histonmarkierungen und Kernstrukturen in einzelnen Zellen 15,16. Diese Fähigkeit hat die Chromatinforschung in Säugetiersystemen grundlegend verändert, wo SMLM eingesetzt wurde, um Nukleosomenclustering, Chromatinverdichtung und Histonmodifikationsmuster mit beispielloser Detailgenauigkeitzu visualisieren. Im Gegensatz dazu bleibt die Anwendung von SMLM auf Pflanzenkerne begrenzt, hauptsächlich aufgrund technischer Herausforderungen im Zusammenhang mit Pflanzengewebeeigenschaften – wie hohe Autofluoreszenz, Zellwandsteifigkeit und das Vorhandensein von Lichtstreustoffen wie Stärke undChlorophyll-18. Darüber hinaus erfordert die empfindliche Natur der Kerne während der Isolierung und Markierung optimierte Arbeitsabläufe, um die strukturelle Integrität zu erhalten und die Hintergrundfluoreszenz bei längeren Bildaufnahmesitzungen zu minimieren.
Das hier beschriebene Protokoll wurde ursprünglich von Elizabeth Kracik-Dyer und Célia Baroux für die stimulierte Emissionsdepletionsmikroskopie (STED)19 entwickelt. Anschließend wurde es optimiert und angepasst, um die spezifischen Anforderungen der STORM-Bildgebung zu erfüllen, wobei das Wissen aus veröffentlichten mikrobiologischen Anwendungen 20,21,22 integriert wurde. Das übergeordnete Ziel ist es, einen schlanken und reproduzierbaren Arbeitsablauf für die SMLM-Bildgebung isolierter Arabidopsis-thaliana-Kerne bereitzustellen. Durch die Integration optimierter Fixierung, sanfter mechanischer Störung und Fluorophor-Markierung in Suspension erhält diese Methode die Kernmorphologie und entfernt gleichzeitig zytoplasmatische Schadstoffe, die oft die Bildgebungsqualität beeinträchtigen, effizient. Die Immobilisierung markierter Kerne auf niedrigschmelzenden Agarosepads gewährleistet mechanische Stabilität während der Aufnahme, was eine langfristige Einzelmolekül-Bildgebung mit nanoskaliger Präzision ermöglicht. Im Vergleich zu zuvor beschriebenen SRM-Protokollen für Pflanzenkerne – insbesondere solche, die auf STED-Mikroskopie19,23 basieren – verwendet dieser Workflow fotoschaltbare Fluorophore (z. B. AF647, JF549) und reduziert die Hintergrundfluoreszenz durch Waschschritte, die Chlorophyll und Gewebereste entfernen, und verbessert die Markierungshomogenität, indem die Markierungsmoleküle direkt zu den fixierten und permeabilisierten Kernen hinzugefügt werden. Folglich ermöglicht es eine konsistente Visualisierung von Chromatinmodifikationen, Kernkompartimenten und epigenetischen Mustern in einzelnen Kernen. Durch die Verringerung der technischen Hürden für die Implementierung von SMLM in Pflanzen erweitert diese Methode die Zugänglichkeit der nanoskaligen Bildgebung und bietet eine Grundlage für die Untersuchung, wie Chromatinorganisation und Kernarchitektur zur Genregulation als Reaktion auf Entwicklungs- und Umweltsignale beitragen.