$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Grasgewassen zijn een belangrijke bron van voedsel en biobrandstof voor de wereldbevolking1, en het verbeteren van de bladanatomie heeft het potentieel om hun productiviteit te verhogen 2,3. Ons huidige begrip van hoe bladanatomie wordt gereguleerd in grassen is echter beperkt4 en vereist de analyse van bladprimordia, omdat veel anatomische en fysiologische kenmerken van het blad vroeg in de ontwikkeling vooraf zijn bepaald 5,6,7. Cellulaire beeldvormingstechnieken, zoals fluorescentie en confocale beeldvorming, zijn onmisbaar voor het bestuderen van de anatomie van grasbladeren en cellulaire eigenschappen, maar deze technieken zijn moeilijk toe te passen op primordia van grasbladeren omdat ze diep zijn ingebakken en in de bladkrans zijn gerold. We hebben dit probleem aangepakt door methoden te ontwikkelen voor het voorbereiden van dwarsdoorsneden en uitgerolde hele bladbevestigingen voor fluorescentie en confocale analyse van maïsbladprimordia, een modelsysteem voor het bestuderen van de anatomie en ontwikkeling van grasbladeren 2,8.
Het maïsblad bestaat, zoals alle grasbladeren, uit een riemachtig blad met een schede dat zich om de stengel wikkelt en zich ontwikkelt tot scheut 9,10,11,12,13. De bladeren ontwikkelen zich uit het scheut-apicale meristeem (SAM) in een distichous-patroon, waarbij elk nieuw blad in de tegenovergestelde positie van het vorige blad begint, wat resulteert in twee rijen bladeren langs de verticale as (figuur 1A)14 . Het ontwikkelingsstadium van elk blad primordium wordt geïdentificeerd door zijn positie ten opzichte van de SAM, waarbij het dichtstbijzijnde primordium wordt aangeduid als plastochron1 (P1) en de volgende primordia wordt aangeduid als P2, P3, enzovoort (figuur 1B, C) 2. Tijdens de ontwikkeling (figuur 1D) verschijnt het blad primordium eerst als een halvemaanvormige steunbeer rond de basis van de SAM (P1), en groeit vervolgens uit tot een kapvormig primordium dat zich uitstrekt over het meristeem (P2)9,10,11. De basale randen van de kap breiden zich vervolgens zijdelings uit en overlappen elkaar naarmate de punt naar boven groeit en een kegelvormig primordium (P3-P5)10 vormt. Het primordium groeit dan snel in lengte en de schede-bladgrens aan de basis wordt prominenter met de vorming van de ligule, de franjeachtige projectie aan de adaxiale kant van het blad (P6/P7). Ten slotte ontrolt het blad zich als het uit de krans komt tijdens steady-state groei, waarbij de delende cellen beperkt zijn binnen het kleine basale gebied van het blad, waardoor een gradiënt wordt gevormd met uitzettende en differentiërende cellen langs de proximaal-distale as (P7 / P8)15. De scheuttop van een maïszaailing bevat meerdere primordia in verschillende stadia van ontwikkeling, waardoor het een uitstekend model is voor het bestuderen van bladontwikkeling8.
Nauwkeurige analyse van vroege bladontwikkeling vereist stadiëring of het gebruik van gestandaardiseerde criteria om verschillende stadia van primordiumontwikkeling te definiëren in relatie tot andere groei- of morfologische parameters. Omdat de bladprimordia verborgen zijn in de grasscheut, gebruiken onderzoekers meestal parameters zoals de leeftijd van de plant of de grootte van de opkomende bladeren als voorspellers voor de stadia en maten van de bladprimordia 9,16. In maïs wordt de chronologische leeftijd van de plant bepaald door het aantal dagen na het planten of ontkiemen (DAP/DAG)17,18. Het vegetatieve stadium (V-stadium) wordt bepaald door het bovenste blad met een zichtbare kraag, een bleke lijn aan de abaxiale zijde tussen het blad en de schede die overeenkomt met de positie van de ligule en oorschelpen, een paar wigvormige gebieden aan de basis van het blad (figuur 1A,B)17,19 . Tussen 20 en 25 DAG gaat de SAM over in een bloeiwijze meristeem en stopt met het produceren van nieuwe bladeren20. De groeisnelheden van maïsblad primordia kunnen variëren afhankelijk van de omgeving en het genotype van de plant. Om deze reden kunnen de leeftijd van de plant en de grootte van de opkomende bladeren de grootte van bladprimordia niet nauwkeurig voorspellen; Het gebruik van deze parameters kan echter helpen bij het voorspellen van het bereik van primordia-stadia en -groottes voor experimentele doeleinden.
Transversale sectieanalyse is een populaire methode voor het onderzoeken van bladanatomie en ontwikkeling in maïs en andere grassen, omdat het de bemonstering van meerdere plastochronen in een enkele sectie over de scheut21,22,23 mogelijk maakt. Deze methode is ook handig voor cellulaire beeldvorming van verse monsters, omdat de omliggende bladeren dienen als een steiger die de bladprimordia op zijn plaats houdt tijdens het doorsneden en monteren24. Een nadeel van deze methode is echter dat het een uitdaging kan zijn om het doelplastochron en het gebied in het primordium nauwkeurig te lokaliseren bij het snijden van een intacte scheut. Omdat de bladgroei varieert tussen plastochronen en langs de proximaal-distale as2,5, kan onnauwkeurige bemonstering bovendien leiden tot een onjuiste interpretatie van het ontwikkelingsstadium en het gebied van het primordium in een bepaalde sectie. Daarom is het ontwikkelen van een methode voor nauwkeurige transversale doorsnedebemonstering van cruciaal belang om de nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid van anatomische en ontwikkelingsanalyses van grasbladprimordia te waarborgen.
Analyse van de hele bladmontage maakt het uitgebreide en integratieve onderzoek mogelijk van weefsel- en cellulaire processen die plaatsvinden op de schaal van het hele orgaan, zoals proliferatieve groei25 en aderpatronen26,27,28. De methode biedt een paradermale overzicht van het blad, waardoor verschillende processen en patronen kunnen worden ontdekt die anders moeilijk te detecteren zouden zijn met behulp van transversale sectieanalyse24,27. Anders dan in Arabidopsis, waar er al gevestigde methoden zijn voor het in beeld brengen van hele bladbevestigingen29,30, is er momenteel geen standaardmethode voor het in beeld brengen van uitgerolde hele bladbevestigingen in grassen. Een eerder protocol voor het uitrollen van geïsoleerde maïsbladprimordia betrof ongebruikelijke materialen en was niet geschikt voor cellulaire beeldvorming31. Geavanceerde beeldvormingstechnieken, zoals computertomografie (CT) en magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), kunnen 3D-anatomische informatie verkrijgen zonder de primordia 11,32,33 te isoleren en uit te rollen, maar ze zijn duur en vereisen gespecialiseerde apparatuur. Het ontwikkelen van een techniek om de beperkingen te overwinnen die worden opgelegd door de gewalste en conische morfologie van bladprimordia in maïs en andere grassen, zou het onderzoek naar hun anatomische en ontwikkelingskenmerken bevorderen.
Hier presenteren we methoden voor het voorbereiden van dwarsdoorsneden en ontrolde hele bergen van maïsblad primordia voor fluorescentie en confocale beeldvorming. We gebruikten deze methoden om het adergetal te kwantificeren en de ruimtelijk-temporele hormoonverdeling in maïsblad primordia in kaart te brengen met fluorescerende eiwitten (FP's)24. De eerste methode omvat het verwijderen van het bovenste deel van oudere bladeren van maïszaailingen met een draadstripper (figuur 1E). Door de punt van het primordium (P5-P7) bloot te leggen, wordt het mogelijk om de lengte ervan te bepalen zonder de oudere omliggende bladeren volledig te hoeven verwijderen, waardoor eenvoudig en nauwkeurig snijden mogelijk is. De tweede methode omvat het uitrollen en monteren van primordia van hele bladeren (P3-P7) met heldere, dubbelzijdige nanotape (figuur 1F). Deze methoden zijn geschikt voor het visualiseren van verschillende FP's24, maar moeten worden geoptimaliseerd voor het gebruik van fluorescerende kleurstoffen en zuiverende reagentia. Daarnaast schetsen we enkele procedures voor het afvlakken van z-stacks, het naaien van afbeeldingen en het samenvoegen van kanalen in ImageJ / FIJI34, die van toepassing zijn op de afbeeldingen die door de twee methoden worden geproduceerd. Deze methoden zijn nuttig voor routinematige fluorescentie of confocale beeldvorming van maïsbladeren, maar ze kunnen ook worden aangepast voor andere modelgrassoorten, zoals rijst, Setaria en Brachypodium.

Figuur 1: Organisatie en morfologie van maïsblad primordia en overzicht van de methoden . (A) Schematische weergave van een maïszaailing. Maïs heeft een distichous phyllotaxy, waarbij het nieuwe blad op de tegenovergestelde positie van het vorige blad begint. Het bladnummer geeft de chronologische volgorde aan waarin de bladeren uit de kieming zijn voortgekomen (d.w.z. eerste blad, L1; tweede blad, L2; derde blad, L3; enz.). Elk blad heeft een distale blade en een basale schede afgebakend door een kraag die overeenkomt met de ligule en de oorschelp. Het bovenste blad met de kraag zichtbaar duidt op het vegetatieve stadium. De zaailing in dit voorbeeld bevindt zich in het V2-stadium, waarbij de L2-kraag (pijlpunt) zichtbaar is. Het schaarpictogram geeft de locatie aan bij de mesocotyl (me) waar de zaailing moet worden geknipt om te worden verzameld. (B) Schematische weergave van de ontleedde scheut met geïsoleerde L1 tot L4, met de bladprimordia L5 tot L9 weergegeven als een vergrote afbeelding in (C). Het plastochrongetal geeft de positie van het primordium ten opzichte van de SAM aan, waarbij het jongste blad primordium (P1) het dichtst bij de SAM ligt en het oudere blad primordia (P2, P3, P4, enzovoort) achtereenvolgens verder weg2. (D) Schematische weergave van de morfologie van primordia van maïsbladeren van P1 tot en met P5. (E) Schematisch overzicht van de methode voor de dwarsdoorsnedeanalyse van de primordia van maïsblad. (1) Knip de oudere bladeren af met een draadstripper. (2) Meet het primordium en snijd de scheut. (3) Monteer de sectie op een dia voor beeldvorming en verwerking (4, 5). F) Schematisch overzicht van de methode voor de analyse van het maïsblad primordia. (1) Verwijder de omliggende bladeren om het primordium te extraheren. (2) Knip en rol het primordium plat op de nanotape. (3) Monteer het monster voor beeldvorming en verwerking (4, 5). Afkortingen: L = blad; bl = blad; sh = schede; co = kraag; me = mesocotyl; V = vegetatief; P = plastochron; SAM = schiet apicale meristeem. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.