RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Przedstawiamy metodologię ilościowego określania zawartości skrobi w zawiązkach jajników u czereśni (Prunus avium L.) podczas spoczynku zimowego za pomocą systemu analizy obrazu w połączeniu z technikami histochemicznymi.
Zmiany w skrobi w małych strukturach są związane z kluczowymi wydarzeniami podczas kilku procesów rozwojowych roślin, w tym fazy reprodukcyjnej od zapylenia do zapłodnienia i początku owocowania. Jednak różnice w skrobi podczas różnicowania kwiatów nie są w pełni znane, głównie ze względu na trudności w ilościowym określeniu zawartości skrobi w szczególnie małych strukturach zawiązków kwiatowych. W tym miejscu opisano metodę oznaczania ilościowego zawartości skrobi w zawiązkach jajników czereśni (Prunus avium L.) za pomocą systemu analizy obrazu dołączonego do mikroskopu, który umożliwia powiązanie zmian zawartości skrobi z różnymi fazami spoczynku od jesieni do wiosny. W tym celu stan spoczynku pąków kwiatowych określa się poprzez ocenę wzrostu pąków pędów przeniesionych do kontrolowanych warunków w różnych momentach zimy. W celu ilościowego określenia skrobi w zawiązkach jajnika pąki kwiatowe są kolejno zbierane, utrwalane, zatapiane w wosku parafinowym, cięte i barwione I2Kl (jodek potasu-jodek). Preparaty są obserwowane pod mikroskopem i analizowane przez analizator obrazu, który wyraźnie odróżnia skrobię od tła. Wartości zawartości skrobi uzyskuje się poprzez pomiar gęstości optycznej obrazu, która odpowiada barwionej skrobi, biorąc pod uwagę sumę gęstości optycznej każdego piksela jako oszacowanie zawartości skrobi w badanej klatce.
Rośliny drzewiaste strefy umiarkowanej dostosowują się do pór roku, modulując swój wzrost i rozwój. Podczas gdy rozwijają się wiosną i latem, przestają rosnąć jesienią, aby przejść w stan uśpienia zimą1. Chociaż spoczynek pozwala im przetrwać w niskich temperaturach zimowych, chłodzenie jest warunkiem wstępnym prawidłowego pękania pąków na wiosnę2. Ważne implikacje spoczynku w produkcji owoców strefy umiarkowanej i leśnictwie doprowadziły do podjęcia różnorodnych wysiłków w celu określenia i przewidzenia okresu spoczynku3. W przypadku gatunków drzew owocowych eksperymenty empiryczne przenoszące pędy do warunków wymuszających oraz prognozy statystyczne oparte na danych dotyczących kwitnienia są aktualnymi podejściami do określenia daty przerwania spoczynku, co pozwala badaczom oszacować wymagania dotyczące chłodzenia dla każdej odmiany. Jednak sposób określania stanu spoczynku na podstawie procesów biologicznych pozostaje niejasny3.
Kwitnienie na drzewach owocowych strefy umiarkowanej, takich jak czereśnia (Prunus avium L.), występuje raz w roku i trwa około dwóch tygodni. Jednak kwiaty zaczynają się różnicować i rozwijać około 10 miesięcy wcześniej, podczas poprzedniego lata4. Primordia kwiatowe przestają rosnąć jesienią, aby zimą pozostać uśpione w pąkach. W tym okresie każda odmiana musi zgromadzić określone wymagania dotyczące chłodzenia, aby kwitnąć prawidłowo4. Pomimo braku zmian fenologicznych w pąkach zimą, zawiązki kwiatów są fizjologicznie aktywne w okresie spoczynku, a akumulacja niskich temperatur została ostatnio powiązana z dynamiką akumulacji lub spadku skrobi w komórkach zawiązka jajnika, oferując nowe podejście do określania spoczynku5. Jednak mały rozmiar i lokalizacja zawiązka jajnika wymagają specjalnej metodologii.
Skrobia jest głównym węglowodanem magazynującym gatunki roślin drzewiastych6. Tak więc zmiany w skrobi zostały powiązane z fizjologiczną aktywnością tkanek kwiatowych, które potrzebują węglowodanów do wspierania swojego rozwoju7,8. Różne kluczowe zdarzenia podczas procesu rozrodczego są również związane z różnicami w zawartości skrobi w różnych strukturach kwiatowych, takimi jak mejoza pylników9, wzrost łagiewki pyłkowej poprzez styl lub zapłodnienie zalążka10. Techniki histochemiczne pozwalają na wykrycie skrobi w każdej poszczególnej tkance zawiązków kwiatowych w okresie spoczynku. Pozostaje jednak trudność w ilościowym określeniu tej skrobi, aby umożliwić śledzenie jej wzorca akumulacji/spadku w czasie lub porównanie zawartości skrobi między tkankami, odmianami lub latami. Wynika to z niewielkiej ilości tkanki dostępnej dla technik analitycznych11. Alternatywnie, analiza obrazu połączona z mikroskopią12 pozwala na ilościowe określenie skrobi w bardzo małych próbkach tkanki roślinnej13.
Podejścia łączące mikroskopię i analizę obrazu zostały użyte do ilościowego określenia zawartości różnych składników w tkankach roślinnych, takich jak callose14, microtubes15, lub starch16, mierząc rozmiar obszaru zabarwionego przez określone plamy. W przypadku skrobi można go łatwo wykryć za pomocą reakcji jodek potasu z jodkiem (I2KI) 17. Ta metoda jest bardzo specyficzna; I2KI interkaluje się w strukturze laminarnej ziaren skrobi i tworzy ciemnoniebieski lub czerwono-brązowy kolor, w zależności od zawartości amylozy w klasie skrobi18. Skrawki barwione barwnikiem I2KI wykazują odpowiedni kontrast między skrobią a tkanką tła, co pozwala na jednoznaczne wykrycie skrobi i późniejszą kwantyfikację przez system analizy obrazu19. Chociaż barwnik ten nie jest stechiometryczny, akumulacja jodu jest proporcjonalna do długości cząsteczki skrobi, która może się bardzo różnić17. W związku z tym rozmiar zabarwionego obszaru wyrażony jako liczba pikseli może nie odzwierciedlać dokładnie zawartości skrobi, ponieważ można stwierdzić duże różnice w zawartości skrobi między polami z barwionymi obszarami o podobnej wielkości. Alternatywnie, zawartość skrobi można ocenić, mierząc gęstość optyczną barwionych granulek na czarno-białych obrazach uzyskanych z mikroskopu, tak jak to opisano w różnych tkankach w apricot8,13,19, avocado10,20 i Olive21.
Tutaj opisujemy metodologię, która łączy eksperymentalne określanie stanu spoczynku z ilościowym oznaczaniem zawartości skrobi w tkance zawiązka jajnika od jesieni do wiosny u czereśni, oferując nowe narzędzie do zrozumienia i przewidywania spoczynku w oparciu o badanie biologicznych mechanizmów związanych ze spoczynkiem.
1. Określanie spoczynku i zbieranie materiału roślinnego
2. Przygotowanie materiału roślinnego do ilościowego oznaczania skrobi
3. Kwantyfikacja zawartości skrobi
Badania nad spoczynkiem wymagają określenia momentu, w którym spełnione są wymagania dotyczące mrożących krew w żyłach. Pomimo braku zmian fenologicznych podczas zimy w warunkach polowych (Rysunek 1A), wiśnie nie odzyskują zdolności wzrostu w odpowiednich warunkach, dopóki nie przejdą pewnego okresu w niskich temperaturach. Regularne przenoszenie pędów do komory w kontrolowanych warunkach (Rysunek 1B) w okresie zimowym pozwoliło na ocenę stanu spoczynku pąków kwiatowych. Ocenę wzrostu pąków kwiatowych przeprowadzono poprzez pomiar wzrostu masy pąków. Podczas gdy w okresie spoczynku nie można było zaobserwować żadnych zmian po 10 dniach odpowiednich warunków (Rysunek 1C), po pokonaniu spoczynku pąki pęczniały i pękały w komorze wzrostu (Ryc. 1D). Wyniki tej analizy pozwoliły na ustalenie stanu spoczynku pąków. Ze względu na różne temperatury występujące zimą, spoczynek był pokonywany w różnych terminach, w zależności od roku. Podczas gdy w pierwszym roku badania przerwanie spoczynku nastąpiło w styczniu, w drugim roku zima była łagodniejsza; Tak więc mrożące krew w żyłach spełnienie nastąpiło jakieś trzy tygodnie później, w lutym.
Czereśnia ma pąki kwiatowe w ostrogach, gdzie wierzchołek jest pączkiem wegetatywnym, a boczne pąki są pąkami kwiatowymi (Rysunek 1C i 1D). Niezróżnicowane pąki zaczęły różnicować się w pąki kwiatowe lub wegetatywne pod koniec lata, a kiedy wchodzą w stan spoczynku w okresie zimowym, w pąku pozostaje kilka zawiązków kwiatowych, chronionych licznymi zielonymi łuskami i pokrytych brązowymi łuskami zewnętrznymi (Rysunek 1C i Rysunek 2A). Sekcja pąka kwiatowego wykazała małe zawiązki kwiatowe w środku (Ryc. 2A). Każdy pączek kwiatowy zawierał od jednego do pięciu pojedynczych zawiązków kwiatowych (Ryc. 2B). Pomimo niewielkich rozmiarów każdego zawiązka kwiatowego, wszystkie części kwiatu są zróżnicowane i można je rozróżnić: słupek, pylniki, płatki i działki kielicha (Rysunek 2C). Zastosowanie technik histochemicznych (utrwalanie alkohol:oct [3:1], zatapianie wosku parafinowego, cięcie mikrotomów i barwienie skrobi na bazie jodu) pozwoliło na zaobserwowanie rozmieszczenia skrobi w tkankach zawiązków kwiatowych (Rysunek 2D).
Skrobia w zawiązku jajnika została oznaczona ilościowo w każdej sekcji. Cztery pomiary 1337 μm2, przy 40-krotnym powiększeniu, reprezentowały ogólny układ skrobi w zawiązku jajnika czereśni (Ryc. 3A). Granulki skrobi zostały wyraźnie odróżnione od tła po barwieniu I2KI (Rysunek 3B). Skrobia została zidentyfikowana przez system analizy obrazu, poprzez dostosowanie progów kolorów czerwonego, zielonego i niebieskiego, aż wszystkie obserwowane granulki skrobi zostały pokryte obrazem binarnym utworzonym przez system na podstawie zdefiniowanych parametrów koloru (Rysunek 3C). Uzyskane wartości zawartości skrobi były wynikiem pomiaru gęstości optycznej każdego piksela pod maską na czarno-białym obrazie (Rysunek 3D).
Kwantyfikacja skrobi ujawniła spójny wzorzec dynamiki skrobi podczas zimy (Rysunek 4). Konsekwentnie, ilość skrobi wczesną zimą przedstawiała wartość gęstości optycznej mniejszą niż 40 0003, podczas gdy maksymalna ilość osiągała wartość między 120 000 a 140 000 w obu latach. Podczas gdy maksymalna wartość została osiągnięta w styczniu w pierwszym roku (Rysunek 4A), wystąpiła w lutym w drugim roku (Rysunek 4B). Porównując te wyniki z karnacją w stanie spoczynku, maksymalna ilość skrobi wystąpiła jednocześnie z chłodzącym wypełnieniem w obu latach.
To podejście wymaga określenia stanu spoczynku (Rysunek 5A) równocześnie z kwantyfikacją skrobi na tkance jajnika (Rysunek 5B) w celu określenia zmian zawartości skrobi w odniesieniu do spoczynku.

Rysunek 1: Zestaw doświadczalny do określania stanu spoczynku pąków kwiatowych czereśni. (A) Na gałęziach zimą ukazują uśpione pąki zamknięte i pokryte ciemnobrązowymi łuskami. (B) Panel ten pokazuje pędy przeniesione do komory wzrostowej. W połowie stycznia niektóre odmiany pozostawały w stanie uśpienia z pąkami nadal zamkniętymi (biała strzałka), podczas gdy inne były w stanie rosnąć, pokazując spuchnięte pąki (strzałka). (C) Panel ten pokazuje szczegół pędu z uśpionymi pąkami kwiatowymi umieszczonymi z boku i pojedynczym pąkiem wegetatywnym umieszczonym w pozycji wierzchołkowej ostrogi. (D) Panel ten pokazuje szczegół pędu po przezwyciężeniu spoczynku po 10 dniach w komorze wzrostu, pokazując pęcznienie pąków. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Przygotowanie materiału roślinnego do ilościowego oznaczania skrobi. (A) Panel ten pokazuje poprzeczny przekrój pąka kwiatowego, pokazujący dwie zawiązki kwiatowe (fp) chronione licznymi łuskami (sc). (B) Trzy zawiązki kwiatowe (fp) zbierają się w pąk kwiatowy. (C) Ten panel pokazuje poprzeczny przekrój zawiązka kwiatowego, ze wszystkimi zróżnicowanymi okółkami: działkami kielicha (se), płatkami (pe), pylnikami (an) i słupkiem (pi). Zawiązek jajnika wyróżnia się u podstawy słupka (strzałka). (D) Środkowa część zawiązka kwiatowego została zebrana i utrwalona w styczniu, zatopiona w wosku parafinowym, pocięta i zabarwiona I2KI (ciemnobrązowy) na skrobię. Ten panel pokazuje zawiązek jajnika (strzałka). Podziałki mają wymiary 500 μm w panelach A i B oraz 200 μm w panelach C i D. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 3: Kwantyfikacja skrobi w zawiązkach jajnika czereśni. (A) Panel ten przedstawia środkową część zawiązka jajnika wybarwionego I2KI, pokazując cztery ramki, w których zmierzono zawartość skrobi. (B) Ten panel pokazuje szczegół zawiązka jajnika. Granulki skrobi są zabarwione na ciemnobrązowy kolor. (C) Ten panel pokazuje pseudokolorowy obraz, w którym skrobia odpowiada różnym odcieniom niebieskiego. (D) Ten panel pokazuje binarną maskę obrazu pokrywającą skrobię barwioną I2KI (niebieską) na czarno-białym oryginalnym obrazie. Gęstość optyczna jest mierzona tylko w pikselach oryginalnego obrazu pokrytego maską. Podziałki mają wymiary 100 μm w panelu A i 20 μm w panelach B - D. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Reprezentatywne wyniki oznaczania ilościowego skrobi w zawiązkach jajników czereśni pobieranych co miesiąc od jesieni do wiosny przez dwa lata w różnych warunkach temperatury zimowej. (A) Panel ten pokazuje wyniki z lat 2010 - 2011, które miały mroźną zimę. Chłodzące spełnienie (płatek śniegu) nastąpiło w styczniu, wraz z maksymalną ilością skrobi. (B) Panel ten pokazuje wyniki z lat 2011 - 2012, które charakteryzowały się łagodną zimą. Chłodzące spełnienie (płatek śniegu) nastąpiło w lutym, wraz z maksymalną ilością skrobi. Wartości te są średnią ± błędem standardowym średniej. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 5: Schemat projektu doświadczalnego mającego na celu ocenę stanu spoczynku pąków i kwantyfikacji skrobi w zawiązkach jajników czereśni. (A) Ten panel pokazuje procesy pracy związane z określaniem stanu spoczynku: przygotowanie materiału roślinnego, proces i uzyskane wyniki. (B) Ten panel przedstawia procesy kwantyfikacji skrobi: histochemiczne przygotowanie pąków do mikroskopowej obserwacji skrobi, wykrywanie skrobi w analizie obrazu oraz oznaczanie ilościowe skrobi. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Przedstawiamy metodologię ilościowego określania zawartości skrobi w zawiązkach jajników u czereśni (Prunus avium L.) podczas spoczynku zimowego za pomocą systemu analizy obrazu w połączeniu z technikami histochemicznymi.
Autorzy dziękują Marii Herrero i Eliseo Rivasowi za ich pomocne dyskusje i rady. Prace te były wspierane przez Ministerio de Economía y Competitividad — Europejski Fundusz Rozwoju Regionalnego, Unia Europejska [grant nr BES-2010-037992 dla E. F.]; Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria [numery grantów RFP2015-00015-00, RTA2014-00085-00, RTA2017-00003-00]; oraz Gobierno de Aragón — Europejski Fundusz Społeczny, Unia Europejska [Grupo Consolidado A12-17R].
| Skala precyzyjna | Sartorius | CP225D | |
| Mikroskop stereoskopowy | Leica Microsystems | MZ-16 | |
| Piec suszący | Memmert | U15 | |
| Stacja zatapiania parafiny | Leica Microsystems | EG1140H | |
| Mikrotom rotacyjny | Reichert-Jung | 1130/Biocut | |
| Ostrze mikrotomu | Feather | S35 | Stal nierdzewna |
| Mikroskop jasnego pola | Aparat cyfrowy Leica Microsystems | DM2500 | |
| System | analizy obrazuLeica Microsystems | DC-300 | |
| Quantiment Q550 |