אנו מתארים גישה למדידת שינויים ביעילות הפוטוסינתטית בצמחים לאחר טיפול ב-CO2 נמוך באמצעות פלואורסצנציה של כלורופיל.
מאמר שיטה
אנו מתארים גישה למדידת שינויים ביעילות הפוטוסינתטית בצמחים לאחר טיפול ב-CO2 נמוך באמצעות פלואורסצנציה של כלורופיל.
פוטוסינתזה ופוטו-רספירציה מייצגות את שטפי הפחמן הגדולים ביותר בחילוף החומרים הראשוני של הצמחים, והן נחוצות להישרדות הצמח. רבים מהאנזימים והגנים החשובים לפוטוסינתזה ולפוטו-רספירציה נחקרו היטב במשך עשרות שנים, אך היבטים מסוימים של המסלולים הביוכימיים האלה וההצלבה שלהם עם כמה תהליכים תת-תאיים עדיין אינם מובנים במלואם. חלק גדול מהעבודה שזיהתה את הגנים והחלבונים החשובים בחילוף החומרים בצמחים נערך בסביבות מבוקרות מאוד שאולי אינן מייצגות בצורה הטובה ביותר את האופן שבו פוטוסינתזה ופוטו-נשימה מתפקדות בסביבות טבעיות וחקלאיות. בהתחשב בכך שעקה אביוטית גורמת ליעילות פוטוסינתטית לקויה, יש צורך בפיתוח מסך בעל תפוקה גבוהה שיכול לנטר הן עקה אביוטית והן אחר השפעתה על הפוטוסינתזה.
לכן, פיתחנו שיטה מהירה יחסית לסינון שינויים הנגרמים על-ידי עקה אביוטית ביעילות הפוטוסינתטית, שיכולים לזהות גנים לא אופייניים עם תפקידים בפוטורספירציה באמצעות ניתוח פלואורסצנציה של כלורופיל ובדיקת CO2 נמוכה. מאמר זה מתאר שיטה לחקר שינויים ביעילות הפוטוסינתטית במוטנטים של דנ"א מועבר (T-DNA) ב-Arabidopsis thaliana. ניתן להשתמש באותה שיטה לסינון מוטנטים המושרים על ידי אתיל מתנסולפונט (EMS) או להקרנה מדכאת. שימוש בשיטה זו יכול לזהות מועמדים לגנים למחקר נוסף בחילוף החומרים הראשוני של הצמח ובתגובות עקה אביוטיות. נתונים משיטה זו יכולים לספק תובנה לגבי תפקוד גנים שאולי לא ניתן לזהות עד לחשיפה לסביבות עקה מוגברות.
תנאי עקה אביוטיים הנפוצים בשדות של חקלאים יכולים להשפיע לרעה על תנובת היבולים על ידי הפחתת היעילות הפוטוסינתטית. תנאים סביבתיים מזיקים כגון גלי חום, שינויי אקלים, בצורת ומליחות קרקע עלולים לגרום ללחצים אביוטיים שמשנים את זמינות ה-CO2 ומפחיתים את תגובת הצמח לעקה גבוהה באור. שני שטפי הפחמן היבשתיים הגדולים ביותר הם פוטוסינתזה ופוטו-רסספירציה, החיוניים לצמיחת צמחים וליבולים. רבים מהחלבונים והאנזימים החשובים המעורבים בתהליכים אלה אופיינו בתנאי מעבדה וזוהו ברמה הגנטית1. אף על פי שהושגה התקדמות רבה בהבנת הפוטוסינתזה והפוטו-רסספירציה, שלבים רבים, כולל מעבר בין אברוני צמחים, נותרים בלתי אופייניים 2,3.
פוטו-רספירציה, שטף הפחמן השני בגודלו בצמחים לאחר הפוטוסינתזה, מתחילה כאשר האנזים רובסקו מתקן חמצן במקום פחמן דו-חמצני לריבולוז 1,5 ביספוספט (RuBP), ויוצר את התרכובת המעכבת 2-פוספוגליקולאט (2PG)1. כדי למזער את ההשפעות המעכבות של 2PG ולמחזר את הפחמן שנקבע בעבר, צמחי C3 פיתחו את התהליך הרב-אורגנלרי של פוטו-רספירציה. פוטו-רספירציה ממירה שתי מולקולות של 2PG למולקולה אחת של 3-פוספוגליצראט (3PGA), שיכולה להיכנס מחדש למחזור קיבוע הפחמן C31. לפיכך, פוטו-רספירציה ממירה רק 75% מהפחמן שהיה קבוע בעבר מיצירת 2PG וצורכת ATP בתהליך. כתוצאה מכך, תהליך הפוטו-רספירציה הוא גרר משמעותי של 10%-50% על תהליך הפוטוסינתזה, תלוי בזמינות המים ובטמפרטורות בעונת הגידול4.
האנזימים המעורבים בפוטו-רספירציה היו מוקד מחקר במשך עשרות שנים, אך רק מספר קטן של חלבוני הובלה אופיינו ברמה הגנטית, למרות שלפחות 25 שלבי הובלה מעורבים בתהליך 5,6,7. שני חלבוני ההובלה המעורבים ישירות בתנועת הפחמן שנוצר בתהליך הפוטו-רספירציה הם טרנספורטר גליקולאט/גליצריט פלסטידי PLGG1 וחומצת המרה נתרן סימפורטר BASS6, שניהם מעורבים בייצוא גליקולט מהכלורופלסט 5,6.
תחת הסביבה [CO2], רוביסקו מתקן מולקולת חמצן ל-RuBP בערך 20% מהזמן1. כאשר צמחים נתונים לרמות נמוכות של [CO 2], שיעורי הפוטורספירציה עולים, מה שהופך את Low [CO2] לסביבה אידיאלית לבדיקת מוטציות שעשויות להיות חשובות תחת עקה גבוהה של פוטו-רספירציה. בדיקת קווי T-DNA נוספים של חלבון הובלת כלורופלסט תחת CO2 נמוך במשך 24 שעות ומדידת שינויים בכלורופיל פלואורסצנטי הובילו לזיהוי קווי צמחים של bass6-1 שהדגימו פנוטיפ מוטנטי של פוטו-רספירציה5. אפיון נוסף הראה כי BASS6 הוא טרנספורטר גליקולט בקרום הפנימי של הכלורופלסט.
מאמר זה מתאר בפירוט פרוטוקול דומה למה ששימש בתחילה לזיהוי BASS6 כטרנספורטר פוטו-ספירציה, שהגיע מרשימה של חלבוני הובלה פוטטיביים הממוקמים בתוך קרום הכלורופלסט8 פרוטוקול זה יכול לשמש בניסוי בעל תפוקה גבוהה המאפיין מוטציות של Arabidopsis T-DNA או צמחים מוטנטיים שנוצרו על ידי EMS כדרך לזהות גנים החשובים לשמירה על יעילות פוטוסינתטית תחת מגוון של עקות אביוטיות כגון חום, מתח אור גבוה, בצורת וזמינות CO2 . בדיקת מוטציות צמחיות באמצעות פלואורסצנציה של כלורופיל שימשה בעבר לזיהוי מהיר של גנים החשובים לחילוף חומרים ראשוני9. עם עד 30% מהגנום של Arabidopsis המכיל גנים המקודדים לחלבונים בעלי תפקוד לא ידוע או בעל מאפיינים גרועים, ניתוח המושרה על ידי עקה של יעילות פוטוסינתטית יכול לספק תובנה לגבי תפקודים מולקולריים שלא נצפו בתנאים מבוקרים בצמחים מוטנטיים10. מטרת שיטה זו היא לזהות מוטציות של המסלול הפוטו-רציונאלי באמצעות בדיקת CO2 נמוכה. אנו מציגים שיטה לזיהוי מוטציות המשבשות את הפוטו-רספירציה לאחר חשיפה ל-CO2 נמוך. יתרון של שיטה זו הוא שמדובר בסינון בתפוקה גבוהה עבור שתילים שניתן לעשות בפרק זמן קצר יחסית. פרקי פרוטוקול הווידאו מספקים פרטים על הכנה ועיקור זרעים, צמיחת צמחים וטיפול נמוך ב- CO2 , תצורת מערכת ההדמיה הפלואורסצנטית, מדידת התשואה הקוונטית של הדגימות המטופלות, תוצאות מייצגות ומסקנות.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
1. הכנת זרעים ועיקור
הערה: הכנת זרעים מורכבת מהטבעת זרעים ועיקור זרעים. חשוב לציין כי כל השלבים הללו יבוצעו במכסה מנוע זרימה למינרית כדי לשמור על תנאים סטריליים. כל החומרים, הריאגנטים ומדיות הגידול הדרושים חייבים להיות אוטומטיים (ראו טבלת החומרים).
2. צמיחת צמחים וטיפול CO2 נמוך
3. הגדרת מערכת ההדמיה הפלואורסצנטית
4. תכנן את תוכנית התשואה הקוונטית
5. מדידת התפוקה הקוונטית של הדגימות המטופלות
6. פתיחת קובץ הנתונים
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
התוצאות מציגות תמונות לוח של תמונות גולמיות ופלואורסצנטיות מהקרנת סביבה ו-CO2 נמוכה של WT ומוטציות בדיקה. כל צמח מסומן לפי מספר שטח, עם קריאות פלואורסצנטיות מתאימות הניתנות כ- QY. הנתונים מיוצאים כקובץ טקסט וניתן לפתוח אותם בגיליון אלקטרוני לצורך ניתוח (ראה טבלה משלימה S1). קווים מוטנטיים plgg1-1 ו- abcb26 נבחרו כדי להדגים את הזיהוי החיובי והשלילי של גנים הקשורים ללחץ פוטו-טראומטי. PLGG1 מקודד עבור הטרנספורטר הראשון במסלול לאחר החמצון של RuBP6, בעוד AB...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
לשיטות הניסוי המתוארות במאמר זה יש כמה יתרונות ומגבלות. יתרון אחד הוא ששיטה זו יכולה לסנן שתילי צמחים רבים, אם כי יש לנקוט באמצעי זהירות מסוימים כדי למנוע זיהום של צלחת המדיה הצמחית במהלך תהליך הציפוי והגידול. לכן, זה קריטי לאטום את לוחות Arabidopsis עם סרט כירורגי. יתרון נוסף של ניסוי זה הוא שיש לו תקופת לחץ קצרה יותר של 12 שעות בהשוואה לעבודה שפורסמה בעבר8. קיצור זמן הטיפול נועד להבחין טוב יותר בהבדלים ב-Fv/Fm בין ה-WT למוטנטים נבחרים. ייתכן שיהיה צורך לשנות את זמן הטיפול בהתאם לחומרת הפנוטיפ בז...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
למחברים אין אינטרסים כספיים מתחרים או ניגודי עניינים.
מחקר זה מומן על ידי מועצת המנהלים של לואיזיאנה (AWD-AM210544).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| צינור מיקרוצנטריפוגה 1.5 מ"ל | VWR | 10810-070 | מיכל לעיקור זרעים |
| אגרוז | VWR | 9012-36-6 | כימיקל המשמש לתליית זרעים כדי להקל על הציפוי |
| Arabidopsis thaliana זרעי (abcb26) | ABRC, שהוזמנו דרך TAIR www.arabidopsis.org | SALK_085232 | זרעי arabidopsis המשמשים כקבוצת |
| ניסויArabidopsis thaliana זרעים (plgg1-1) | ABRC, הוזמנו דרך TAIR | www.arabidopsis.org | SALK_053469C זרעי ארבידופסיס הוריים |
| Arabidopsis thaliana זרעים (WT) | ABRC, הוזמנו באמצעות TAIR www.arabidopsis.org | Col-0 | arabidopsis זרעים מסוג בר המשמשים כקבוצת ביקורת |
| אקונומיקה | אקונומיקה גנרית | של קלורוקס | כימיקל המשמש לעיקור זרעים |
| מוצרי Medline | סופגי קרבוליים | S232-104-001 | CO2 סופג |
| FluorCam | Photon Systems Instruments | FC 800-C | מצלמת פלואורסצנטית |
| FluoroCam FC 800-C | Photon Systems מכשירים | סגורים FluorCam FC 800-C/1010-S | מצלמת פלואורסצנטית |
| FluoroCam7 | Photon Systems מכשירים | סגורים FluorCam FC 800-C/1010- | S תוכנת ניתוח תמונות פלואורסצנטיות |
| Gelzan (אגר צמחי) | מעבדות Phytotech | 71010-52-1 | כימיקל המשמש למיצוק מדיה MS כלוחות |
| בקבוק זכוכית 1 ליטר | Fisherbrand | מיכל FB5011000 | לייצור וחיטוי |
| תא גידול | MS Caron | 7317-50-2 | תא גידול המשמש לגידול צמחים |
| Murashige & Skoog בזאלי בינוני עם ויטמינים & 1.0 גרם/ליטר MES (MS) | מעבדות פיטוטק | M5531 | מצע גידול לשתילי Arabidopsis |
| אשלגן הידרוקסיד (KOH) | מעבדות Phytotech | 1310-58-3 | מייצרות כפתרון 1 M לאורות עכביש לכוונון pH |
| Mean Well Enterprises נורות | XLG-100-H-AB | המשמשות בבדיקת האור | |
| צלחת פטרי מרובעת עם רשת, סטרילית | Simport Scientific | D21016 | המשמשת להחזקת מדיה MS לשתילי arabidopsis |
| סרט כירורגי | 3M | 1530-1 | סרט המשמש לאיטום צלחות |
| tween 20 | biorad | 9005-64-5 | חומר פעילי שטח המשמש לסיוע בעיקור זרעים |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה
בקש הרשאה