여기에서 우리는 난자의 수용성을 증가시키는 Arabidopsis thaliana에서 꽃가루 튜브 안내 및 수신을 관찰하기 위한 SIV(semi-in vitro) 방법의 개선을 설명합니다. 고처리량 SIV 겸 중격 방법은 배우자 마커 라인 및 유전적으로 인코딩된 바이오센서와 결합하여 수정의 동적 과정을 모니터링할 수 있습니다.
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방법 논문
여기에서 우리는 난자의 수용성을 증가시키는 Arabidopsis thaliana에서 꽃가루 튜브 안내 및 수신을 관찰하기 위한 SIV(semi-in vitro) 방법의 개선을 설명합니다. 고처리량 SIV 겸 중격 방법은 배우자 마커 라인 및 유전적으로 인코딩된 바이오센서와 결합하여 수정의 동적 과정을 모니터링할 수 있습니다.
꽃 피는 식물에서 암술 내 꽃가루관(수컷 배우체)의 성장과 안내, 암컷 배우체에 의한 꽃가루관의 수용은 이중 수정과 후속 종자 발달에 필수적입니다. 꽃가루 관을 수용하는 동안 수컷과 암컷 배우체 사이의 상호 작용은 꽃가루 관 파열과 두 개의 정자 세포의 방출로 절정에 달하여 이중 수정을 일으킵니다. 꽃가루 관의 성장과 이중 수정은 꽃의 조직 내에 깊숙이 숨겨져 있기 때문에 이 과정은 생체 내에서 관찰하기 어렵습니다.
모델 식물 Arabidopsis thaliana에서 수정의 생세포 이미징을 위한 반시험관(SIV) 방법이 여러 조사에서 개발 및 구현되었습니다. 이러한 연구는 꽃 피는 식물에서 수정 과정이 어떻게 발생하는지, 그리고 수컷과 암컷 배우체의 상호 작용 중에 어떤 세포 및 분자 변화가 발생하는지에 대한 근본적인 특징을 밝히는 데 도움이 되었습니다. 그러나 이러한 생세포 이미징 실험에는 개별 난자의 절제가 포함되기 때문에 이미징 세션당 관찰 횟수가 적기 때문에 이 접근 방식은 지루하고 시간이 많이 걸립니다. 다른 기술적 어려움 중에서도 꽃가루 관이 시험관 내에서 난자를 수정하지 못하는 경우가 종종 보고되어 이러한 분석이 심각하게 혼란스러워집니다.
여기에서는 자동화되고 높은 처리량 방식으로 꽃가루 튜브 수용 및 수정을 이미징하기 위한 자세한 비디오 프로토콜이 제공되어 이미징 세션당 꽃가루 튜브 수신 및 파열을 최대 40개까지 관찰할 수 있습니다. 유전적으로 암호화된 바이오센서 및 마커 라인의 사용과 함께 이 방법을 사용하면 시간 투자를 줄이면서 큰 크기의 샘플을 생성할 수 있습니다. 꽃 스테이징, 해부, 배지 준비 및 이미징을 포함한 기술의 뉘앙스와 중요한 점은 꽃가루 튜브 안내, 수용 및 이중 수정의 역학에 대한 향후 연구를 용이하게 하기 위해 비디오 형식으로 명확하게 자세히 설명되어 있습니다.
유성 생식 유기체에서 유전적으로 독특한 자손의 생성은 남성과 여성 배우자의 성공적인 융합에 달려 있습니다. 꽃 피는 식물에서 이중 수정 동안 두 개의 수컷 배우자(정자 세포)와 두 개의 암컷 배우자(난자 세포 및 중앙 세포)의 상호 작용은 꽃가루관(수컷 배우체)에서 정자 방출에 달려 있습니다. 꽃가루 관 수용이라고 하는 이 과정은 배낭(암컷 배우체) 내에 존재하는 시너지 세포에 의해 크게 제어됩니다.1,2. 꽃가루관 수용이 꽃 속 깊숙한 곳에서 일어나기 때문에, 이 과정의 생세포 이미징을 가능하게 하는 방법인 SIV(semi-in vitro (semi-in vitro) 꽃가루관 수용)가 확립되었다3. 이 방법을 사용하면 절제된 애기장대 난자를 반액체 꽃가루 발아 배지에 놓고 스타일 전달관접합부 3,4에서 절단된 암술의 암술머리와 스타일을 통해 자라는 꽃가루 관을 표적으로 합니다. 이 기술의 개발 이후, 상세한 관찰은 꽃가루 튜브 안내, 수용 및 수정을 둘러싼 몇 가지 발견으로 이어졌습니다. 그 중에서도 이러한 발견에는 암술머리3를 통한 성장에 의한 꽃가루관 표적화 능력의 획득, 꽃가루관 도착 시 시너지드에서 세포내 칼슘 진동의시작5,6,7,8,9, 꽃가루관 파열 시 정자 세포 방출 및 수정의 역학 등이 포함된다10 . 그럼에도 불구하고 이 기술은 난자 절제에 의존하기 때문에 수정 관찰 횟수가 제한되고 꽃가루 관 수용이 종종 비정상적이어서 꽃가루 관 파열이 실패합니다(비디오 1 및 보충 파일 1). 따라서 꽃가루 관 수용 및 수정에 대한 고처리량 분석을 가능하게 하는 보다 효율적인 접근 방식이 필요합니다.
이 프로토콜을 개발하면서 가장 "시험관 내"에서 가장 "생체 내" 방법에 이르기까지 꽃가루 관 수용을 분석하기 위한 몇 가지 새로운 접근 방식을 테스트했으며 전체 중격의 절제를 기반으로 하는 효율적인 기술이 정착되어 하루에 최대 40회의 수정 관찰이 가능합니다. 여기에서는 꽃 스테이징, 해부, 중간 준비 및 이미징 설정을 포함하여 기술의 뉘앙스와 중요한 점을 간략하게 설명합니다. 이 프로토콜에 따라 꽃가루관 안내, 꽃가루관 수용 및 이중 수정에 중점을 둔 연구가 촉진되어야 합니다. 이 방법이 허용하는 더 높은 샘플 크기는 라이브 이미징 실험에서 도출된 결론의 과학적 건전성을 강화할 것으로 예상됩니다. 이 기술의 잠재적 응용 분야에는 유전적으로 암호화된 바이오센서를 사용하여 배우체 상호작용 동안 세포질 칼슘 농도([Ca 2+]cyt), pH 또는 H2O 2의 분자 및 생리학적 변화를 관찰하는 것이포함되지만 이에 국한되지는 않습니다. 또한, 수용 시너지 효과의 퇴화, 정자 세포 이동 또는 카르요가미와 같은 세포학적 변화는 이 개선된 방법을 사용하여 보다 쉽게 관찰할 수 있습니다. 마지막으로, 광시야 현미경으로 다양한 수정 단계의 시기를 모니터링한 다음 공초점 레이저 주사 현미경(CLSM) 또는 이광자 여기 현미경(2PEM)을 사용하여 보다 자세한 분석을 수행하여 고해상도 및 3D 재구성을 수행할 수 있습니다.
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알림: 이 프로토콜에 사용된 재료 및 장비 목록은 재료 표를 참조하십시오.
1. 이미징 실험 설계 시 고려 사항
2. 꽃가루 발아 배지 준비
3. 중격 기증자, 낙인 기증자 및 꽃가루 기증자의 꽃 스테이징

그림 1: 중격 기증자, 낙인 기증자 및 꽃가루 기증자의 꽃 스테이징. (A) 꽃차례 내 애기장대 꽃(Ler-0)의 단계. 꽃잎이 막 열리기 직전의 꽃잎과 노랗게 변하는 꽃밥이 있는 12B 단계의 새싹은 꽃받침, 꽃잎, 수술을 모두 제거하여 거세해야 합니다. 암술(암컷 배우체 제작자가 있음)은 24시간 후에 중격 기증자로 사용할 수 있습니다. (B) 꽃차례 내 애기장대 꽃(Col-0)의 단계. 꽃잎에서 거의 나오지 않는 노란색 음란한 꽃밥과 암술머리가 있는 12B 단계의 새싹은 꽃받침, 꽃잎, 수술을 모두 제거하여 거세해야 합니다. 그런 다음 암술은 24시간 후에 낙인 기증자로 사용할 수 있으며, 이때 열려 있고 꽃가루를 흘리는 꽃(수컷 배우체 마커가 있음)에 의해 수분되어야 합니다. 수분 된 암술머리는 수분 후 1 시간 이내에 해부해야합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
4. 중격 해부

그림 2: 중격 및 암술머리 해부에 대한 빠른 가이드. (A) 중격 해부 단계. 인슐린 주사기 바늘로 양면 테이프에 암술을 고정하고 스타일-난소 접합부와 난소-척추경 접합부를 절단한 다음 양쪽 심피의 중격을 따라 얕게 절단합니다(1단계). 심피벽을 테이프에 다시 떼어냅니다(2단계). 상단 중격 아래에서 replum을 자릅니다 (3 단계). 스타일에서 중격을 자르고 작은 꽃자루에서 집게를 사용하여 제거합니다 (4 단계). 중격을 한천 배지에 놓고 집게로 부드럽게 삽입합니다. (B) 낙인 해부 단계. 암술 (수분 <1 시간 전)을 양면 테이프에 고정하고 면도날로 스타일-난소 접합부에서 자릅니다 (6 단계). 중격 옆에 인슐린 바늘이 있는 한천 배지에 암술머리를 놓고 거리를 약 250μm로 조정합니다(7-8단계). 스타일의 마이크로파일과 베이스 주위에 반액체 풀이 형성되는지 확인합니다(9단계). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
5. 낙인 해부
6. 이미징

그림 3: SIV 겸 중격 이미징 방식. (A) 입체경을 통해 볼 때 12개의 수분된 암술머리와 3개의 격막이 있는 전체 SIV 겸 중격 설정. (B) 10x 대물렌즈를 사용하여 배양 후 5시간 동안 A에서 볼 수 있는 전체 SIV 겸 중격 설정의 병합된 이미지, 다단계 획득을 위해 표시된 5개의 개요 영역(각각 ~1mm). 녹색 상자는 시너지 효과에서 폭발적인 폭발을 겪는 꽃가루 튜브를 받은 난자를 보여줍니다. (C) 다른 시점에서 개요 영역 2를 자세히 봅니다. 현미경의 습도 챔버에서 배양한 후 약 3시간 후에 꽃가루 튜브가 마이크로파일 근처에 도착해야 하며 6시간 동안 이미징하면 대부분의 난자가 꽃가루 튜브(녹색 사각형)를 제대로 받아야 합니다. 그런 다음 이 난자는 폭발적인 꽃가루 튜브 파열(별표)을 겪습니다. 스케일 바 = (A) 5 mm, (B, C) 500 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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애기장대에서 꽃가루관 파열과 관련하여 수용성 시너지드에서 핵 변성의 시기를 평가하고 왼쪽 또는 오른쪽 시너지드가 수용성 시너지드가 될 운명인지 관찰하기 위해, 여기에 설명된 SIV cum septum 방법은 시너지 세포질 마커(pFG: roGFP2-ORP1-NLS, pMYB98:roGFP2-ORP1)를 중격 기증자로, 수컷 배우체 마커(pLAT52:R-GECO)를 꽃가루 기증자로 사용합니다. 격막과 수분된 암술머리는 프로토콜의 섹션 4-5에 따라 배합 후 24시간 후에 해부하고 전날 준비된 배지로 유리 바닥 접시에 놓았습니다. 각 접시를 현미경의 습도 챔버에 넣고 5개의 개요 영역이 있는 10x 대물 렌즈(개구수 0.4)를 사용하여 다단계 실험을 수행했습니다(그림 3). 각 영역의 이미지는 R-GECO(25ms)의 경우 채널 (1) 560/640, roGFP2-ORP1(60ms)의 경우 채널 (2) 488/520...
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이 원고는 애기장대에서 꽃가루 관 수용 및 이중 수정의 이미징을 위한 효율적인 프로토콜을 소개합니다. 개선된 방법인 SIV cum septum은 이미징 세션당 관찰할 수 있는 성공적인 꽃가루관 수용 이벤트의 백분율과 총 수를 크게 증가시킵니다. 여기에 표시된 대표적인 결과는 41개의 성공적인 꽃가루 튜브 수신 이벤트와 수신 결함(~80% 효율)을 나타내는 10개의 난자가 있는 이미징 세션을 보여줍니다. 이는 원래 SIV 절제 난자 방법을 사용하여 총 8개의 이미징 세션에서 캡처된 성공적인 꽃가루 튜브 수용 이벤트 수의 두 배 이상입니다(비디오 1). 총 8개의 격막에 대해 5개의 기술 복제에서 SIV 겸 중격 방법을 사용하여 8개의 기술 복제가 있는 SIV 절제 중격 방법을 사용한 평균 28%와 비교하여 평균 79%의 꽃가루 튜브 수용 효율을 달성했습니다(그림 4).
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저자는 이해 상충이 없다고 보고합니다.
pFG:roGFP2-ORP1-NLS 구조를 기증해 주신 Sara Simonini와 Stefano Bencivenga, 현미경에 대한 조언을 해주신 Christof Eichenberger, Johann Almendinger, Vincent Sutter 및 Celia Baroux에게 감사드립니다. Ravi Palanivelu, Philipp Denninger, Sharon Kessler, Mark Johnson, Tomokazu Kawashima 및 SIV 겸 중격에 대한 프로토콜에 관심을 보인 2022년 성 식물 생식에 관한 국제 회의의 다른 모든 사람들의 조언을 진심으로 감사드립니다. 이 연구는 취리히 대학 (University of Zurich)과 스위스 국립 과학 재단 (Swiss National Science Foundation)의 보조금을 지원했습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 1mm 유리 슬라이드 | 에프레디아 | ||
| 35mm 유리 바닥 접시 (14mm 우물) | Mattek | P35G-1.5-14-C | |
| 염화칼슘 | 로스 | CN93.1 | |
| 컬럼비아(Col-0) | 노팅엄 애기장대 스톡 센터(NASC) | 낙인 기증자 | |
| 해부 범위 | 올림푸스 | SZX2-ILLT | |
| 인슐린 바늘 (0.3 G) | BD | 304000 | |
| Landsberg erecta (Ler-0) | 노팅엄 애기장대 주식 센터 (NASC) | 셉텀 기증자 | |
| 마그네슘 황산염 | Merck | 5886 | |
| Potassium Chloride | Roth | 6781.1 | |
| 면도날 | Beldura | 7026797 | |
| Scotch 양면 테이프 | 스카치 | 768720 | 덜 두껍고 암술 해부에 좋은 |
| 염화나트륨 | Roth | 3957.1 | |
| 설탕 | ITW 시약 | A2211,1000 | |
| Tesa 양면 테이프 | Tesa | 05681-00018 | 매우 끈적거리고 중격 박리에 좋습니다 |
| 초저겔화 온도 아가로스 | FMC SeaPrep | 50302 |
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