모델 식물 애기장대 의 Thigmomorphogenesis의 연구를 위한 노동 절약 및 반복 가능한 터치 포스 신호 돌연변이 스크린 프로토콜
August 6th, 2019
부드러운 터치 포스 로딩 기계는 인간의 머리 브러시, 로봇 팔 과 컨트롤러에서 내장되어 있습니다. 헤어 브러쉬는 기계에 설치된 로봇 팔에 의해 구동되며 주기적으로 이동하여 식물에 터치 포스를 가합니다. 기계 구동 헤어 터치의 강도는 수동으로 적용된 터치의 강도와 비슷합니다.
우리는 식물 신호 형태 발생을 관찰하기 위해 자동 터치 포스 기계를 구축합니다. 식물에 부드러운 터치 력을 적용하기 위해 인간의 머리 브러시와 함께 설치 한 로봇 팔. 인간의 손가락 터치와 비교하여, 자동 인간의 헤어 터치 기계는 더 많은 노동 절약, 균일 한 터치 포스 로딩을 제공 할 수 있습니다.
한 라운드의 힘 적재에 필요한 시간은 몇 분 이내에 제한될 수 있습니다. 몇 시간의 손가락 터치와 면 봉면 터치에 비해 로봇 기계는 식물 상업 반응 연구를 크게 향상시킬 수 있습니다. 처리된 식물의 효율성과 인구를 증가시킴으로써, 우리는 자동 터치 머신이 4개의 신호 돌연변이 스크린및 식물과 동물 모두에서 상업적 반응 연구에 적용될 것으로 예상합니다.
시작하려면 MS 배지를 사용하여 8%의 천판에서 씨앗을 양성한 후 각 유전자형의 발아율을 7일 동안 테스트합니다. 발아 속도에 따라, 생성될 식물의 원하는 수보다 4~5배 더 많은 씨앗을 준비한다. 1.5 밀리리터 플라스틱 튜브에 차가운 물에 씨앗을 담그고 알루미늄 호일로 덮어 어둠 속에서 유지하십시오.
씨 에 저장 4 섭씨 에 대 한 씨 임비티온. imbibition 후 5 ~ 7 일, 식물 성장에 적합한 토양을 선택합니다. 큰 덩어리를 피하고 포크를 사용하여 균일하게 혼합하십시오.
24 207 밀리리터 플라스틱 컵의 상부 림 직경 7.4cm를 준비합니다. 관개 목적으로 컵 하단에 3 개의 둥근 구멍을 드릴. 혼합 토양이 플라스틱 컵을 채웁니다.
토양이 컵 테두리보다 약 1센티미터 높이까지 쌓이게 하고 통치자를 사용하여 쌓인 토양의 표면을 부드럽게 평평하게 합니다. 24컵을 플라스틱 트레이에 옮기습니다. 식물의 빠른 성장을 위한 광합성 활성 방사선보다 높은 평방 미터당 초당 180~240개의 미세아인의 성장 챔버의 광강도를 설정합니다.
라이트 조건을 24시간 일정으로 설정합니다. 성장 챔버의 온도를 섭씨 23.5도 또는 영하 1.5도로 설정하고 습도는 35~45%로 각 트레이에 2.5리터의 물을 넣습니다. 토양이 컵 의 바닥에있는 구멍에서 물을 흡수하고 토양의 표면이 컵 테두리 수준으로 떨어질 때까지 기다립니다.
2시간 후, 3~4개의 씨앗을 한 자리에 뿌리고 컵 안에 고르게 분배된 4개의 반점을 뿌었습니다. 각 트레이 위에 투명한 플라스틱 덮개를 놓고 씨앗이 일주일 동안 발아하게 하십시오. 그런 다음 덮개를 제거하고 모종이 한 주 동안 자랄 수 있도록 합니다.
씨앗이 발아 한 후 매일 1.5 리터의 물로 식물을 관개하십시오. 종자 파종 후 9~10일 후에는 얇게 차여 추가 촬영을 제거합니다. 작은 가위를 사용하여 슈트를 자르고 전체 식물을 토양에서 직접 꺼내지 마십시오.
각 컵에 비슷한 크기의 3 ~4 명의 식물 개인. 로봇 팔에 터치 헤어 브러시를 설치하려면 먼저 접착제를 사용하여 330mm 길이의 강철 눈금자에 인간의 머리카락 한 층을 고르게 고정하십시오. 머리카락의 길이는 126 밀리미터입니다.
두 개의 금속 클램프를 사용하여 강철 눈금자를 로봇 팔에 부착합니다. 제어판에서 조그 F 플러스를 눌러 수직 차원을 따라 기계 암의 높이를 설정하고 조그 R 마이너스를 눌러 로봇 팔과 브러시를 낮춥춥습니다. 헤어 브러시의 끝을 컵 테두리보다 5센티미터 낮게 유지합니다.
Inc F 플러스 또는 R 마이너스를 눌러 모든 식물 개인이 만지고 있는지 확인하기 위해 기계를 1 ~ 2 사이클을 미리 실행합니다. 공식 실험 전에 전자 스케일을 사용하여 터치 력을 측정합니다. 1~2밀리톤 사이의 터치력을 유지하기 위해 기계 암의 높이를 조정합니다.
다음으로, 수동으로 수평 치수를 따라 기계 팔의 시작 위치를 설정합니다. 헤어 브러시가 각 트레이의 가장자리에 걸려 있게 합니다. 조그 F 플러스 또는 조그 R 마이너스를 눌러 기계 팔을 약간 수평으로 이동하여 터치 실험이 시작되기 전에 식물이 닿지 않도록하십시오.
이동 버튼을 눌러 머리 브러시 이동 거리를 수평 치수에서 365밀리미터로 설정합니다. Inc F 플러스 또는 R 마이너스를 눌러 기계 암을 이동하여 전체 이동 거리를 확보하고 처리 된 모든 식물이 만지고 있는지 확인합니다. 그런 다음 자동 속도 버튼을 눌러 기계 암의 x 축을 따라 분당 5000밀리미터의 이동 속도를 설정합니다.
마이너 사이클 버튼을 눌러 라운드당 40번의 터치와 동일한 20번의 시험에서 터치 시간을 설정합니다. 헤어 브러시가 8 시간의 간격 시간으로 하루에 3 라운드 동안 식물을 만질 수있는 주요 기간 버튼을 눌러 하루 480 분에 터치 라운드의 반복 간격을 설정합니다. 카운트다운이 0으로 바뀌면 기계가 자동으로 새로운 터치 라운드를 시작합니다.
기계가 4 일 의 기간 내에 12 라운드 동안 식물을 터치 할 수 있도록 12 시험에 주요 사이클을 설정합니다. 시작 버튼을 눌러 미리 설정된 프로그램을 시작합니다. 칫솔과 모발 팁을 조정하고 보정하여 전체 터치 기간 동안 매일 동일한 높이로 보정합니다.
감동적인 실험 내에서 각 식물의 볼트 데이를 추적하려면 매일 각 식물의 첫 번째 식물 줄기를 관찰하십시오. 길이를 측정하고 1센티미터에 도달하면 성장 기간을 기록하므로 식물 상에서 생식 단계로 전환되었습니다. 로제트 반경의 측정은 상단에서 전체 트레이의 사진을 찍습니다.
이미지 처리 소프트웨어를 사용하여 로제트 중심에서 가장 긴 리프 끝까지의 거리를 눈금자로 컵 테두리로 측정합니다. 로제트 영역을 측정하려면 먼저 로제트 장기의 나머지 부분에 영향을 주지 않고 꽃집을 제거하십시오. 각 식물의 꼭대기에서 근처에 배치 된 스케일 눈금자와 함께 사진을 찍습니다.
이미지 처리 소프트웨어에서, 로제트 잎의 수평 2차원 표면적을 측정한다. 본 실험에서 면봉 수동 터치 트리트먼트는 야생형 대조군 컬럼비아 제로 식물에 대한 기계 구동 헤어 터치 트리트먼트와 비교하였다. 볼트는 연속 면봉 터치 처리 후 1.7 일 지연.
마찬가지로 자동 기계 구동 헤어 터치에 대 한, 지연 된 볼트 관찰 되었다. 단변콕스 위험 분석은 터치 그룹의 식물의 볼트 위험이 대조군의 식물에 비해 각각 31%와 52%임을 나타낸다. 그러나, 이러한 볼트 지연은 tDNA 삽입 돌연변이체, NKK 1 및 NKK 2에서 관찰되지 않았다.
Univariate Cox 비례 위험 모델은 41의 추정 HR을 가진 제어 및 터치 식물 사이에 중요한 차이를 보인 만 야생 유형 컬럼비아 제로를 보여줍니다. 형태학적 변화를 위해, 야생 형 컬럼비아 제로 식물은 일정하고 반복적인 자동 기계 구동 헤어 터치의 3 일 후에 현저하게 더 작은 장미 반경과 짧은 잎 길이를 보였다. 예상 로제트 면적은 13일 만에 20~16㎡로 변경되었습니다.
터치 포스 로딩이 상처로 이어지지 않도록 하려면 적절한 터치 력을 신중하게 설정해야 합니다. 터치 반응 분석에 적합한 아라비도시스 공장을 생산하기 위해서는 적절한 성장 조건이 필요합니다. 예를 들어, 초당 평방 미터당 180~240마이크로아인슈타인사이의 24시간의 광강도가 필요하다.
다른 형태의 기계적 힘 적재로 확장하기 위해 기계는 물을 뿌리는 노즐 이나 바람 송풍기로 개조하여 미래에 각각 비 또는 바람 효과를 모방할 수 있습니다.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
개요
이 연구는 식물 신호 형태 발생을 탐구하기 위해 인간의 빗과 로봇 팔을 활용한 자동 접촉 힘 부하 기계를 제시합니다. 이 장치는 식물에 균일한 접촉 힘을 적용할 수 있게 하여, 수동 방법에 비해 효율성을 크게 향상시킵니다.
주요 연구 구성요소
연구 분야
- 식물 신호 및 반응
- 생물학 연구의 자동화
- 효율적인 식물 처리 방법론
배경
- 식물에 접촉 힘을 적용하는 전통적인 방법은 노동 집약적이며 시간이 많이 걸립니다.
- 로봇 시스템의 개발은 실험의 일관성과 속도를 향상시킬 수 있습니다.
- 이 연구는 자동화를 통해 기계적 자극에 대한 식물 반응을 개선하는 것을 목표로 합니다.
사용된 방법
- 일관된 힘 적용을 위한 인간의 빗을 사용한 로봇 접촉 힘 기계의 개발.
- 발달 단계 동안의 Arabidopsis 식물에 대한 연구 집중.
- 기술적 접근에는 자동화된 접촉 주기 및 통제된 환경 조건이 포함됩니다.
주요 결과
- 자동화된 시스템은 수동 적용과 비슷한 접촉 힘을 제공합니다.
- 처리 시간과 식물 반응 집단 모두에서 효율성 개선이 나타났습니다.
- 성공적인 구현은 신호 돌연변이 스크리닝에서의 더 넓은 적용 가능성을 보여주었습니다.
결론
- 이 연구는 식물 생리학 연구에서 로봇 자동화의 효과를 강조합니다.
- 연구 결과는 기계화된 접촉이 연구 과정을 크게 간소화하여 유전자 및 신호 연구를 돕는 것을 시사합니다.
자주 묻는 질문
Executive Industry Relevance
Automated mechanical stimulation platforms address bottlenecks in phenotypic screening for mechanotransduction pathways, enabling higher throughput and reproducibility in target validation studies. By reducing labor-intensive manual force application, the method supports scalable assessment of genetic mutants in mechanosensitive signaling networks. This positions the technology as a enabling tool for early discovery workflows focused on force-sensing mechanisms in model systems.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of touch-force signaling mutants such as MKK1 and MKK2 to clarify mechanistic roles in mechanotransduction.
- Operational Value: Provides repeatable, quantifiable touch-force application reducing variability from manual handling.
- Predictive Value: Supports phenotypic comparison of wild-type and mutant lines under standardized mechanical stress to de-risk target hypotheses.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantifiable morphological outputs (e.g., rosette radius, bolting timing) for high-content phenotypic screening.
- Operational Value: Allows unlimited touch rounds with adjustable force strength, enabling dose-response-like experimental designs.
- Assay Readiness: Compatible with alternative touch materials (e.g., animal hair, silk) and environmental simulators (rain, wind) for assay flexibility.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Links molecular mutants to organism-level phenotypic changes under mechanical stress, supporting pathway validation.
- Mechanistic De-risking: Enables statistical evaluation of touch response differences between genotypes, informing target confidence.
- Model Relevance: Uses Arabidopsis thaliana as a genetically tractable system to study conserved mechanosensitive signaling principles.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery pipelines by providing a standardized mechanical stimulus for phenotypic screening of signaling mutants prior to lead identification efforts.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of kinase-dependent touch signaling pathways through controlled force application and phenotypic readouts.
- Screening: Enables reproducible, high-throughput touch-force delivery for mutant screening campaigns with measurable growth and developmental outputs.
- Analytics: Facilitates quantitative measurement of bolting delay, rosette area, and leaf length for statistical comparison across genotypes.
- Translational Research: Connects molecular phenotypes (e.g., MKK1/MKK2 mutants) to whole-plant mechanomorphogenic responses, supporting target validation.
- Enterprise Reuse: Platform design allows adaptation to other mechanical stimuli (wind, rain) and model systems, supporting cross-project utility.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in force-sensing pathways through standardized, repeatable phenotypic assays.
- Operational Value: Increases experimental throughput by reducing touch-force application time from hours to minutes per round.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision confidence in target validation by minimizing false positives from manual force variability.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of mechanosensitive targets based on reproducible phenotypic outcomes.
Implementation Considerations
- Requires expertise in plant growth conditions, mechanical stimulation protocols, and image-based phenotyping.
- Needs robotic arm system, custom touch-material fixtures, and environmental control chambers for reproducible results.
- Demands standardization of touch force (1–2 mN), timing intervals, and environmental conditions across users and sites.
- Adaptation considerations include exchanging touch materials (hair, silk, cotton) and adding nozzles for rain/wind simulation.
- Practical limitations include dependency on consistent plant size and developmental stage for comparable touch response measurements.
