Tutaj prezentujemy protokół oceny przeżywalności nasion, kiełkowania i spoczynku w warunkach polowych przy użyciu zakopanych, oznakowanych pasków nasion i testowania żywotności chlorku tetrazolu (TZ).
Method Article
Tutaj prezentujemy protokół oceny przeżywalności nasion, kiełkowania i spoczynku w warunkach polowych przy użyciu zakopanych, oznakowanych pasków nasion i testowania żywotności chlorku tetrazolu (TZ).
Opisujemy techniki przybliżania dynamiki banku nasion w czasie, używając Helianthus annuus jako przykładowego gatunku badawczego. Paski przepuszczalnej tkaniny poliestrowej i kleju można składać i sklejać, aby utworzyć pasek przegródek, w których znajdują się nasiona i informacje identyfikacyjne, umożliwiając jednocześnie kontakt z odciekami glebowymi, wodą, mikroorganizmami i temperaturą otoczenia. Paski mogą być konstruowane z szerokim zakresem numerów i rozmiarów kompartmentów i pozwalają badaczowi na przechowywanie różnych genotypów w obrębie jednego gatunku, różnych gatunków lub nasion, które zostały poddane różnym zabiegom. W przeciwieństwie do pojedynczych pakietów nasion, paski są łatwiej pobierane jako jednostka. Podczas gdy pakiety replikacji mogą być zawarte w pasku, różne paski mogą działać jako bloki lub mogą być pobierane w różnym czasie w celu obserwacji zachowania nasion w czasie. Użyliśmy pistoletu do klejenia wysokotemperaturowego do wyznaczenia przegródek i uszczelnienia pasków po włożeniu nasion i znaczników identyfikujących blok i czas usuwania. Paski nasienne zostały następnie zakopane na polu na żądanej głębokości, z zaznaczonym miejscem do późniejszego usunięcia. Grzebiące w ziemi drapieżniki zostały skutecznie wyeliminowane dzięki zastosowaniu pokrycia z metalowej siatki na powierzchni gleby. Po wybranym przedziale czasu do pochówku wykopywano paski i oceniano nasiona pod kątem kiełkowania, spoczynku i śmiertelności. Podczas gdy wyraźnie martwe nasiona można często odróżnić od niekiełkujących żywych na oko, uśpione nasiona zostały ostatecznie zidentyfikowane za pomocą standardowego testu kolorymetrycznego chlorku tetrazolu pod kątem żywotności nasion.
Ogólnym celem tej metody jest wiarygodna ocena przeżywalności nasion w czasie w warunkach polowych.
Banki nasion gleby to rezerwa rozproszonych, żywotnych, ale niekiełkujących nasion rozmieszczonych albo na powierzchni gleby, albo w ściółce powierzchniowej, albo w profilu glebowym, które mogą utrzymywać się przejściowo lub przez wiele lat1,2. Gdy w 17-letnim badaniu z udziałem kilkudziesięciu gatunków zastosowano metody zakopywania nasion podobne do przedstawionych tutaj, wwielu badanych gatunkach znaleziono żywotne nasiona. Spis nasion jest przeszkodą w kiełkowaniu nasion do momentu wystąpienia odpowiedniej kombinacji warunków dla przetrwania siewki4. Pozostawanie w stanie uśpienia może pozwolić nasionom przetrwać trudne warunki, takie jak niskie temperatury zimą, ograniczenie składników odżywczych lub sezonowa susza, dopóki zewnętrzny wyzwalacz uwalniania w stanie spoczynku nie pozwoli na kiełkowanie. Czynniki wywołujące uwolnienie w stanie spoczynku mogą być różne, od ekspozycji na długotrwałe zimno, związków pozostawionych przez ogień lub fizycznego ataku na okrywę nasienną poprzez ścieranie lub kontakt z kwasami żołądkowymi zwierząt5. Ponieważ sygnały kiełkowania mogą być specyficzne dla rodzajów lub gatunków i często wynikają z przeszłej selekcji naturalnej, nieadaptacyjne kiełkowanie nasion to takie, które zachodzi w nieodpowiednim czasie i może skutkować śmiertelnością nasion lub sadzonek lub słabym wzrostem siewek. Podczas gdy spoczynek został podzielony na wiele typów w oparciu o mechanizmy uwalniania spoczynku (np. spoczynek fizyczny, spoczynek fizjologiczny),6 spoczynek nasion pozostaje jednym z najmniej poznanych tematów w biologii roślin. W związku z tym badania terenowe, które pozwalają na ocenę stanu poszczególnych nasion lub grup nasion w odpowiednich warunkach ekologicznych, mają większą moc wyjaśniającą niż te, które opierają się po prostu na standardowych testach kiełkowania w laboratorium.
Wykorzystanie znanych cech nasion może dostarczyć informacji na temat mechanizmów spoczynku. Kontrola spoczynku nasion jest złożona, obejmuje genetyczną kontrolę czynników fizjologicznych i morfologicznych. Chociaż pełne zrozumienie zakresu mechanizmów uśpienia nie zostało jeszcze wyjaśnione, pojawił się ogólny model, obejmujący zależność sprzężenia zwrotnego między dwoma hormonami roślinnymi, kwasem giberelinowym (GA) i kwasem abscysynowym (ABA)7. W tym uogólnionym modelu dla nasion z fizjologicznym komponentem ich spoczynku, GA służy jako sygnał do uwolnienia w stanie spoczynku, podczas gdy ABA służy do utrzymania stanu uśpienia. Genetyczne skutki matki, jak również środowisko wzrostu matki, mogą wpływać na spoczynek i inne cechy nasion, takie jak wielkość, poprzez tkanki generowane przez matkę i sygnały rozwojowe8. Struktury zewnętrzne wytworzone przez matkę (lub okrywy nasienne) mogą utrzymywać stan spoczynku, czasami w połączeniu ze wskazówkami fizjologicznymi. Ponieważ okrywy nasienne pochodzące od matki są kontrolowane przez geny rośliny matecznej, mogą one nie odzwierciedlać rzeczywistego jądrowego składu genetycznego nasion. Użyliśmy niełupek Helianthus annuus z szeregu krzyżówek hybrydowych z dzikimi roślinami uprawnymi, aby wydobyć te genetyczne skutki matki i zarodka na cechy nasion9,10. W związku z tym projekty badań, które obejmują różne gatunki, typy krzyżówek lub genotypy, mogą zbierać informacje na temat ekologii i genetyki spoczynku, kiełkowania i przetrwania nasion.
Ważny przykład tego, jak fenotypy kiełkowania i przeżywalności nasion mogą wpływać na dynamikę populacji, można zobaczyć w strefach hybrydowych roślin uprawnych i dzikich. Selekcja podczas udomowienia roślin uprawnych eliminuje większość spoczynku i zmniejsza zdolność nasion do przetrwania poza sezonem wegetacyjnym. Jednak przepływ genów lub hybrydyzacja między typami uprawnymi i dzikimi w strefach hybrydowych roślin uprawnych i dzikich może ponownie wprowadzić allele roślin uprawnych (lub warianty genetyczne) do dzikiej populacji, co może mieć wpływ na dynamikę banku nasion. Hybrydy między krewnymi hodowlanymi i dzikimi, potencjalnie występujące w strefach hybrydowych roślin uprawnych i dzikich, mogą posiadać różne fenotypy pośredniego spoczynku, przy czym oczekuje się, że tylko kilka fenotypów przetrwa warunki poza uprawą (np. miesiące zimowe)11.
Celem tego manuskryptu jest pokazanie, w jaki sposób, korzystając z metody zakopywania nasion, możemy ocenić kiełkowanie, spoczynek i przeżywalność różnych typów nasion w różnych okresach czasu, aby zbadać ich naturalną zmienność w warunkach polowych. W naszym przykładzie zastosowaliśmy nasiona słonecznika z 15 krzyżówek hybrydowych roślin uprawnych i dziko żyjących, ponieważ interesuje nas genetyczny wpływ matki i zarodka na cechy nasion.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. Zbieraj nasiona z wielu gatunków lub kontrolowanych krzyżówek jednego gatunku
Uwaga: W tym przykładzie użyto nasion z 15 typów krzyżówek w obrębie gatunku Helianthus annuus (słonecznik) przy użyciu dzikich typów roślin i roślin uprawnych jako rodzica matczynego (produkującego nasiona).
| Rodzic ze strony matki | |||
| Rodzic ze strony ojca | Dziki: Szer. x Szer | F1: Szer. x C | Uprawa: CxC |
| Dziki: Szer. x Szer | 0% szer. x szer | 25% F1xW † | 50% † CxW |
| BC: WxF1 lub F1xW | 12,5% szer. x p.n.e | 37,5% F1xBC | 62,5% CxBC |
| F1: Szer. x C | 25% szer.x szer. 1 † | 50% F1xF1 | 75% CxF1 † |
| F2: F1xF1 | 25% szer.x szer. 2 | 50% F1xF2 | 75% CxF2 |
| Uprawa: CxC | 50% szer. x C † | 75% F1xC † | 100% CxC |
Tabela 1. Krzyżówki rodzicielskie wytwarzane z zapylania ręcznego. Krzyżówki mieszańców słonecznika i dzikich hybryd wyprodukowano z ręcznym zapylaniem do wykorzystania w eksperymencie z zakopywaniem nasion. W przypadku wszystkich typów krzyżówek rodzic ze strony matki jest wymieniony jako pierwszy, a rodzic ze strony ojca jest wymieniony jako drugi. Typy krzyżowe oznaczone symbolem † są częścią wzajemnych par krzyżówek z tymi samymi allelami upraw procentowych, ale różnymi rodzicami ze strony matki. Tabela została wcześniej opublikowana w: Pace, B. A. et al. (2015)Rozdział 15.
2. Stwórz własne paski do przechowywania nasion
UWAGA: W tym przykładzie przeprowadziliśmy trzy zabiegi z datą usunięcia i 15 powtórzeń, więc potrzebowaliśmy łącznie 45 pasków. W tym przykładzie użyto 15 przegródek na pasek, więc potrzebowaliśmy wystarczającej ilości tkaniny poliestrowej lub moskitiery o drobnych oczkach, aby pomieścić 15 przegródek o wymiarach 7 x 10 cm. Zobacz rysunek 1.

Rysunek 1. Schemat pasa nasiennego do pochówku. Przykład pasa pogrzebowego z identyfikacją typu krzyża dla poszczególnych przedziałów. Rodzic ze strony matki jest wymieniony jako pierwszy, a rodzic ze strony ojca jest wymieniony jako drugi. Kolory wskazują na różne pochodzenie ze strony matki, z żółtym dla dzikiego, niebieskim dla hybrydy F1 i czerwonym dla uprawy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
3. Zakop paski nasion na polu
4. Wykop pasy i oceń nasiona
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Typy krzyżowe z różnym pochodzeniem ze strony matki i procentem alleli upraw (Tabela 1) różniły się w zależności od daty usunięcia procentem kiełkujących, niekiełkujących i martwych nasion (Ryc. 2 i 3). Korzystając z testów TZ na niekiełkujących nasionach, znaleźliśmy kilka naprawdę uśpionych nasion przy drugim usunięciu (wczesna wiosna) (Tabela 2), podczas gdy wszystkie nasiona niewykiełkowane przez trzecie usunięcie (wi...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
W tym miejscu przedstawiamy metody wykorzystania pasów do zakopywania nasion do obserwacji kiełkowania, spoczynku i śmiertelności różnych stad nasiennych w wybranych okresach czasu na polu. Zalety stosowania pasków zamiast pojedynczych pakietów polegają na (1) szybkości budowy pasków i przedziałów w porównaniu z tworzeniem pojedynczych pakietów; oraz (2) łatwość i szybkość wyjmowania wielu przegródek jednym ruchem bez niebezpieczeństwa pominięcia pakietu lub niezamierzonego usunięcia jednego. Ponieważ dwie daty usunięcia...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ta praca była wspierana przez Program Grantowy Oceny Ryzyka Biotechnologicznego (Biotech Risk Assessment Grant Program) nr 2006-39454-17438 dla A. Snow, K. Mercera i H. Alexandra z Departamentu Rolnictwa Stanów Zjednoczonych, Narodowego Instytutu Żywności i Rolnictwa. Eksperymenty z wykorzystaniem tej metody zostały przeprowadzone i wspierane przez University of Kansas Field Station, jednostkę badawczą Kansas Biological Survey i University of Kansas. Autorzy pragną podziękować P. Jourdanowi i E. Regnierowi za pomocne recenzje wcześniejszych wersji tego manuskryptu. Ponadto praca ta została wsparta wkładem pracowników University of Kansas Field Station, Waterman Farm na Uniwersytecie Stanowym Ohio (OSU), Centrum Plazmy Zarodkowej Roślin Ozdobnych USDA w OSU oraz Laboratorium Biologii Nasion na Wydziale Ogrodnictwa i Nauk o Uprawach w OSU, zwłaszcza E. Renze, S. Stieve, A. Evans, oraz E. Grassbaugh za wsparcie techniczne.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Małe koperty na monety | Dowolne | ||
| Duże koperty na monety | Dowolna | ||
| moskitiera poliestrowa o drobnych oczkach | Dowolny | ||
| pistolet do kleju wysokotemperaturowego | Wszelkie | ||
| wkłady w sztyfcie kleju wysokotemperaturowego | Dowolne | ||
| Trwałe markery przemysłowe | Dowolna | ||
| plastikowe etykiety ogrodowe | Dowolne | ||
| nożyczki | Dowolna | ||
| łopata | Dowolna | ||
| metalowa siatka twarda tkanina | Dowolna | ||
| flagi geodezyjne, wiele kolorów | Dowolna | ||
| mokra gazeta | Dowolna | ||
| chłodnica | Dowolna | ||
| bibuła bibułkowa | Dowolne | ||
| temp. kontrolowana komora wzrostu | Dowolne | ||
| żyletki | Dowolne | ||
| szalki Petriego | Dowolny | ||
| chlorek tetrazolu | Dowolna woda Dowolne | ||
| ciepło inkubator | Dowolny |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission