ここでは、オオムギ種子の全開発における胚、胚乳、種子母体組織の高純度手動分離および品質管理のためのプロトコルを紹介します。
ここでは、オオムギ種子の全開発における胚、胚乳、種子母体組織の高純度手動分離および品質管理のためのプロトコルを紹介します。
穀物種子の発生を制御するメカニズムを理解することは、植物の育種と収量の増加に不可欠です。しかし、穀物種子の分析は、サイズが小さいこと、一部の組織の液体特性、および組織間の緊密な接続のために困難です。ここでは、オオムギ種子の発育の初期、中期、後期における胚、胚乳、および種子母体組織の解剖に関する詳細なプロトコルを示します。このプロトコールは、細かなツールと双眼顕微鏡を使用した手動組織解剖と、それに続く倍数性分析ベースの純度制御に基づいています。種子の母体組織と胚は二倍体ですが、胚乳は三倍体組織です。これにより、フローサイトメトリーを使用してサンプルの純度をモニタリングできます。さらに測定した結果、このようなサンプルから単離されたRNAの高品質と、高感度解析に有用であることが明らかになりました。結論として、このプロトコルは、栽培された大麦の発育中の穀物から純粋組織を実際に解剖する方法を説明し、場合によっては他の穀物も分析します。
種子は、母性起源と親孝行起源のいくつかの組織からなる複雑な構造です1。穀物は特殊な種類の種子であり、その大部分は胚乳によって形成され、胚を保護し栄養を与える特殊な三倍体組織です。穀物は世界の食料資源の約60%を提供し、植物生産から最も価値のある生産物です2。穀物種子の発達を制御する分子プロセスに関する知識は、その経済的卓越性と植物の繁殖における中心的な役割のために重要です1,3。
栽培オオムギ(Hordeum vulgare subsp. vulgare; 2n = 2x = 14; 1C = 5.1 Gbp)は、世界で4番目に重要な穀物作物です。動物飼料、食品、バイオテクノロジー4に使用されています。それに加えて、それはまた、重要性が増している古典的な温帯穀物作物モデル種でもあります5。オオムギのゲノムリソースには、遺伝子マップ、栽培品種、在来種、変異体のコレクション、高品質のゲノムアセンブリとアノテーション、および主要な発生段階のトランスクリプトームデータが含まれます5,6,7。また、オオムギの遺伝子は、他の穀物の遺伝的改良にも利用されます。干ばつや塩分などの非生物的ストレス、特定の病原体、および有益な化合物(β-グルカンなど)の高含有量に対する耐性により、オムギは小麦育種のための貴重な形質の供給源となっています8。
種子の発育は、受粉日(DOP)の受精によって開始されます。DOPは、ワディントンスケール(W10.0)9に従って柱頭と葯の形態を評価することによって定義されます。受粉していない花を含むスパイクは、コンパクトな(枝分かれしていない)柱頭と緑色の葯を特徴としていましたが、受粉したスパイクには、拡張されたスパイクレット、拡張された広く枝分かれした柱頭、膨らんだ胚珠、開いた葯、および遊離花粉が含まれていました。DOPの花は中間的な表現型を表していました。葯は黄色で、簡単に乱れ、花粉を放出しました。柱頭は、雌しべのシグマティックブランチを広く広げていました(図1C)。
オオムギ種子の発育には、部分的に重複する3つの段階が含まれます1,10。ステージI(受粉後0〜6日;DAP)は、細胞増殖とデンプン合成の不在に代表される二重受精によって開始されます。ステージII(7 – 20 DAP)は、デンプンおよびタンパク質貯蔵分子の生産を伴う分化と大きなバイオマス増加で構成されています。ステージIII(21 DAP後)は、種子の成熟、乾燥による体重減少、および休眠の開始に対応します。あるいは、フェーズは、それぞれアーリー、ミドル、レイトと呼ばれます11。
大麦粒は、補題、パレア、およびグルームからなる外皮で覆われています12。ほとんどのオオムギの遺伝子型では、外皮は乾燥した種子をしっかりと包み込みます。種子自体は、胚、胚乳、および種子の母体組織によって形成されます(図1A)。二倍体胚は、1つの精子細胞核による卵細胞の受精に由来します。完全に発達した種子では、胚は胚軸と根を囲む鞘根、シュート分裂組織と一次葉を囲む鞘葉、および胚葉(子葉)1,10,13,14で構成されています。三倍体胚乳は、二倍体中央細胞が第2の精子細胞核によって受精した結果です。胚乳の増殖は、分裂する核が中央の液胞によって末梢に押し出される合胞体(共細胞)段階から始まります。合胞体期の終わりには、微小管が核の周りに放射状ネットワークを形成し、反斜性細胞壁の形成と胚乳の細胞化の開始を示します。胚乳の分化は細胞化と同時に起こり、でんぷん質の胚乳、転写細胞、アリューロン層とサブアリューロン層、胚周辺領域の5つの主要な組織をもたらします。種子母体組織は、果皮および種皮10,12を含む母性起源の多層二倍体構造である。種子の母体組織には、輸送関連の機能を持つ穀物の背側にある核突起が含まれ、種子発生の後期段階で胚乳に埋め込まれる15。

図1:オオムギの種子の開発。 (A)示された種子母体組織(SMT、緑)、胚乳(END、黄色)、胚(EMB、オレンジ)、および外皮(H、灰色)を備えた矢状平面での穀物の概略図。(B)アンテシスに近いオオムギの穂の形態。スケールバー= 1 cm. (C) 受粉前、受粉中、受粉後の段階での柱頭と葯の形態。挿入図は、花粉粒(矢じり)の柱頭の詳細を示しています。スケールバー = 5 mm、インセット バー = 200 μm. (D) 4、8、16、24 DAP シードの矢状および横断面。(NP、核投影)スケールバー= 5 mm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
近年のハイスループットゲノミクスの進歩は、個々の種子組織の発生を研究するためのツールを提供しています。しかし、この目的の大きな障害は、種子組織1のコンパクトな構造と密接な接着である。私たちは、オオムギ種子の開発からその後のRNAシーケンシングなどの高感度分析への使用まで、種子組織の高純度解剖のためのプロトコルを開発しました。さらに、提示されたプロトコルは、他の穀物に容易に適合させることができる。
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1.植物を育てる
注:単一の大麦植物には通常5〜6個の分げつがあり、各スパイクの中央の5〜6個の小穂のみを解剖に使用する必要があることを考えると、植物あたりの最大収量は2列で72種子、6列品種で216種子です。
2.受粉の決定
注:発達の進行を適切に推定するには、受粉の正確な決定が必要です。オオムギは自家受粉種です。受粉日(DOP)を定義するために、自家受粉の日を監視しました。この形質は品種固有ですが、葉の鞘から芒が突出し始めることは、DOPに近づいていることを示す良い指標です(図1B)。
3. 種子組織の解剖
注意: 次の手順は、実体顕微鏡を使用して実行する必要があります。ピンセットを使用して解剖する前に、船体を取り外してください。船体は16DAP付近から乾燥し、付着性が高くなることに注意してください。生理学的条件を維持し、解剖中の植物材料の乾燥を避けるために、サンプルを1x PBS(137 mM NaCl、2.7 mM KCl、10 mM Na2HPO4、1.8 mM KH2PO4、 pH = 7.4)の滴下に入れて湿らせます。各組織の解剖には新しいシードを使用して、サンプル収集時間の延長によるDNA、RNA、またはタンパク質の分解を回避します。解剖された材料からのRNA単離には、RNaseを含まない材料と化学物質のみを使用してください。RNAの分解を最小限に抑えるために、通常は5〜10個のシードから解剖された組織からなる1つのサンプルの総解剖時間15分を超えないようにしてください。
4. フローサイトメトリーによる組織純度の制御
注:サンプルの純度は、RNA単離前にフローサイトメトリーを使用して確認できます。適切な装置のキャリブレーションは、生物学的サンプル分析にとって重要です。フローサイトメーター/倍数性分析装置の光学系は、キャリブレーションビーズ(サイズと蛍光強度に対して非常に均一な蛍光染色ポリスチレン微小球)を使用して、最大ピークシャープネス、通常は変動係数(CV)<2%に達するまで調整する必要があります。穀物種子組織には、主にG1、G2、および内重複核の集団が含まれています。したがって、対数スケールを使用することをお勧めします。主にG1核を含み、基底倍数性コントロールとして機能する葉組織から始めます。
5. RNA単離と品質測定
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オオムギ種子の発育の組織特異的なトランスクリプトーム解析を行うために、高純度組織単離のためのプロトコルを確立しました。このプロトコルは、皮をむいた(手動の殻除去後)穀物からの胚、胚乳、および種子の母体組織の手動解剖に基づいています(図1A)。このプロトコールは、いくつかの2列および6列の春オオムギ品種から材料を分離するために成功裏に使用され、スパイクは特定のDAPで収穫され、固定せずに抽出に直接使用されました(図1D)。
DOPの定義は、解剖前に推定すべき重要なパラメータでした。大麦の穂は真ん中から端に向かって成熟します。そのため、DOP評価には真ん中の花を使用しました。スパイクの中央から最大で6つのシードが組織解剖に使用されました。自家受粉の成功率は100%に近かった。それに比べて、手動受粉の成功率ははるかに低かった。
選択した発生期間(4〜24 DAP)では、組織解剖の難易度は一般に時間とともに減少しまし...
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ここでは、オオムギ種子組織の高純度単離を可能にするプロトコールを紹介します。それは大麦のために開発され、テストされましたが、小麦、オート麦、ライ麦、ライコムギなど、 トモ 科の他のメンバーに簡単に採用できます27。プロトコルの最初の部分は、種子組織の解剖に焦点を当てており、非標準的または高価な機器を必要としないため、多くの科学者がアクセスできるはずです。徹底した品質管理解析のためには、フローサイトメーターのような高度に専門化された装置が必要です。しかし、多くの植物研究機関では、訓練を受けた研究スタッフが運営するフローサイトメーターや倍数性分析装置を設置しています。
植物の受粉には、オオムギの自家受粉能力を利用し、自然受粉の正確な日を定義する一連の単純な形態学的パラメータに依存しています。したがって、このプロトコルは、多くの植物種に適用される一般的なアプローチである手動の花の去勢と受粉を回避します。私たちは最初に両方の方法を試しましたが、手動受粉法は、...
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著者は何も開示していません。
フローサイトメーターのメンテナンスにはJan Vrána博士とMahmoud Said博士、バッファーの準備にはEva Jahnová氏、材料リストにはMarie Seifertová氏、植物の手入れにはZdenka Bursová氏に感謝します。この研究は、主にチェコ科学財団の助成金18-12197Sから支援されました。A.P.はさらに、チェコ科学アカデミーのJ.E.PurkyněフェローシップとERDFプロジェクト「持続可能な世界開発のためのツールとしての植物」(No.CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_019/0000827)。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 0.22 um フィルター | メルク | SLGSV255F | |
| 1.5 ml エッペンドルフ チューブ | Sarstedt | 72.690.001 | |
| 4',6-diamididno-2-phenylindole | Invitrogen | D21490 | |
| 50 um ナイロンメッシュ | シルク a Progrers | uhelon 120 T | |
| Agilent 2100 バイオアナライザー | Agilent | G2939BA | |
| バルブ アセンブリ | ドラモンドサイエンティフィック | カンパニー1-000-9000 | |
| ビーズ | Invitrogen | A16502 | |
| セルロースティッシュペーパー | |||
| クエン酸一水和物 | ペンタ | 13830-31000 | |
| 気候室 | ヴァイスガレンカンプ | ||
| DNase I | シグマアルドリッチ | DNASE70 | |
| フィルター紙 | ファグロン | ||
| 細いピンセット | ファインサイエンスツール | 11254-20 | |
| フローサイトメーター | Sysmex-Partec | ||
| フローサイトメトリーチューブ | Sarstedt | 55.484 | |
| 冷凍庫 | |||
| グラシンバッグ | |||
| KCl | Lachner | 30076-AP0 | |
| KH2PO4 | Litolab | 100109 | |
| 液体窒素 | Linde | ||
| マイクロキャピラリーピペット | Fivephoton Biochemicals | MGM 1C-20-30 | |
| Minutien ピン | ファイン サイエンス ツール | 26002-20 | |
| Na2HPO4 | Lachema | ||
| Na2HPO4.12H2O | Lachner | 30061-AP0 | |
| NaCl | Lachner | 30093-AP0 | |
| ピート ポット | ジフィー | 5x5 cm | |
| シャーレ | |||
| ピン ホルダー | ファイン サイエンス ツール | 26016-12 | |
| プラスチック ペトル | p-Lab | A199001 | |
| ポット | 12x12 cm | ||
| カミソリ刃 | ジレット | ||
| RNAse zap | Invitrogen | AM9780 | |
| サンド | |||
| ハサミ | ファインサイエンスツール | 14060-11 | |
| 土壌 | |||
| スペクトル植物 トータルRNAキット | シグマ・アルドリッチ | STRN50 | |
| 実体顕微鏡 | オリンパス | ||
| ・トゥイーン 20 | シグマ・アルドリッチ | P2287 | |
| トリゾール試薬 | Invitrogen | 15596026 | |
| RNA 6000 Pico Kit | Agilent | 5067-1513 |
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