Udostępniamy metodę identyfikacji modulatorów transpiracji dolistnej poprzez zakrojone na szeroką skalę badania przesiewowe biblioteki złożonej.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Udostępniamy metodę identyfikacji modulatorów transpiracji dolistnej poprzez zakrojone na szeroką skalę badania przesiewowe biblioteki złożonej.
Adaptacja roślin do stresów biotycznych i abiotycznych jest regulowana przez różne czynniki, wśród których kluczową rolę odgrywa regulacja otworu szparkowego w odpowiedzi na deficyt wody lub patogeny. Identyfikacja małych cząsteczek, które regulują ruchy aparatów szparkowych, może zatem przyczynić się do zrozumienia fizjologicznych podstaw, dzięki którym rośliny przystosowują się do środowiska. Zakrojone na szeroką skalę badania przesiewowe, które wykorzystano do identyfikacji regulatorów ruchu aparatów szparkowych, mają potencjalne ograniczenia: niektóre w dużym stopniu opierają się na szlaku sygnałowym hormonu kwasu abscysynowego (ABA), wykluczając w ten sposób mechanizmy niezależne od ABA, podczas gdy inne opierają się na obserwacji pośrednich, długoterminowych skutków fizjologicznych, takich jak wzrost i rozwój roślin. Przedstawiona tutaj metoda przesiewowa pozwala na leczenie roślin na dużą skalę za pomocą biblioteki substancji chemicznych w połączeniu z bezpośrednią kwantyfikacją ich transpiracji za pomocą obrazowania termicznego. Ponieważ parowanie wody w wyniku transpiracji powoduje chłodzenie powierzchni liści, obrazowanie termiczne zapewnia nieinwazyjne podejście do badania zmian przewodnictwa szparkowego w czasie. W tym protokole siewki Helianthus annuus są uprawiane hydroponicznie, a następnie traktowane przez dokarmianie korzeni, w którym pierwotny korzeń jest cięty i zanurzany w testowanej substancji chemicznej. Obrazowanie termiczne, a następnie analiza statystyczna zmian temperatury liścieni w czasie, pozwala na identyfikację bioaktywnych cząsteczek modulujących aperturę aparatów szparkowych. Nasze eksperymenty potwierdzające słuszność koncepcji pokazują, że substancja chemiczna może zostać przeniesiona z ściętego korzenia do liścienia sadzonki słonecznika w ciągu 10 minut. Ponadto, gdy rośliny są traktowane ABA jako kontrola pozytywna, w ciągu kilku minut można wykryć wzrost temperatury powierzchni liści. Nasza metoda pozwala zatem na skuteczną i szybką identyfikację nowych cząsteczek regulujących aperturę aparatów szparkowych.
Tolerancja na stres u roślin to cecha poligeniczna, na którą wpływa różnorodność cech i mechanizmów molekularnych, komórkowych, rozwojowych i fizjologicznych1. Rośliny w zmiennym środowisku muszą stale modulować swoje ruchy szparkowe, aby zrównoważyć zapotrzebowanie fotosyntetyczne na węgiel, jednocześnie utrzymując wystarczającą ilość wody i zapobiegając inwazji patogenów2; Jednak mechanizmy, za pomocą których podejmowane są te kompromisowe "decyzje", są słabo zrozumiałe3. Wprowadzenie bioaktywnych cząsteczek do roślin może modulować ich fizjologię i pomóc w badaniu nowych mechanizmów regulacji.
Zakrojone na szeroką skalę badania przesiewowe małych cząsteczek to skuteczna strategia stosowana w odkrywaniu leków przeciwnowotworowych i testach farmakologicznych w celu przetestowania fizjologicznych efektów setek do tysięcy molekuł w krótkim okresie czasu4,5. W biologii roślin wysokoprzepustowe badania przesiewowe wykazały swoją skuteczność, na przykład w identyfikacji syntetycznej cząsteczki pyrabaktyny6, a także w odkryciu długo poszukiwanego receptora kwasu abscysynowego (ABA)7,8. Od tego czasu zidentyfikowano agonistów i antagonistów receptorów ABA oraz małe cząsteczki zdolne do modulowania ekspresji genów reporterowych indukowanych przez ABA9,10,11,12,13,14,15. Obecnie dostępne metody wysokoprzepustowych badań przesiewowych w celu identyfikacji małych związków, które mogą modulować aperturę aparatów szparkowych, mają pewne wady: (i) protokoły obracające się wokół szlaku sygnałowego ABA mogą uniemożliwić identyfikację nowych mechanizmów niezależnych od ABA, oraz (ii) strategie in vivo stosowane do identyfikacji bioaktywnych małych cząsteczek opierają się przede wszystkim na ich fizjologicznym wpływie na kiełkowanie nasion lub wzrost siewek, a nie na regulacji transpiracji roślin jako takiej.
Dodatkowo, chociaż istnieje wiele sposobów na leczenie roślin bioaktywnymi cząsteczkami, większość z nich nie nadaje się do badania ruchu szparkowego na dużą skalę. Krótko mówiąc, trzy najczęstsze techniki to aplikacja dolistna przez opryskiwanie lub zanurzanie, leczenie systemu korzeniowego i nawadnianie korzeni. Stosowanie dolistne nie jest zgodne z najpopularniejszymi i najszybszymi metodologiami pomiaru otworów szparkowych, ponieważ obecność kropelek na powierzchni liści przeszkadza w gromadzeniu danych na dużą skalę. Głównymi ograniczeniami nawadniania korzeni są duże wymagania dotyczące objętości próbki, potencjalna retencja związków przez pierwiastki w ryzosferze oraz zależność od aktywnego pobierania przez korzenie.
Tutaj prezentujemy metodę na dużą skalę do identyfikacji nowych związków regulujących transpirację roślin, która niekoniecznie obejmuje ABA lub znane mechanizmy reagujące na suszę i pozwala na skuteczne i niezawodne leczenie roślin. W tym systemie rośliny Helianthus annuus są traktowane przy użyciu metody dokarmiania korzeni, która polega na odcięciu pierwotnego korzenia sadzonek uprawianych hydroponicznie i zanurzeniu miejsca cięcia w roztworze próbki. Po poddaniu działaniu substancji badanej mierzy się wpływ każdego związku na transpirację roślin za pomocą kamery termowizyjnej na podczerwień. Ponieważ głównym wyznacznikiem temperatury powierzchni liścia jest szybkość parowania z liścia, dane termowizyjne mogą być bezpośrednio skorelowane z przewodnictwem aparatów szparkowych. Względna zmiana temperatury liści po zastosowaniu zabiegu chemicznego stanowi zatem bezpośredni sposób na ilościowe określenie transpiracji roślin.
H. annuus jest jedną z pięciu największych roślin oleistych na świecie16, a odkrycia dokonane bezpośrednio na tej roślinie mogą ułatwić przyszły transfer technologii. Ponadto siewki H. annuus mają duże i płaskie liścienie, a także gruby korzeń pierwotny, który był idealny do opracowania tego protokołu. Jednak tę metodę można łatwo dostosować do innych roślin i różnych związków.
Ten protokół może być wykorzystany do skutecznego identyfikowania cząsteczek zdolnych do wywołania zamknięcia aparatów szparkowych lub promowania otwarcia aparatów szparkowych, co ma duże implikacje dla zrozumienia sygnałów regulujących przewodnictwo aparatów szparkowych i adaptację roślin do stresów środowiskowych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Uprawa roślin
2. Konfiguracja systemu hydroponicznego
3. Przeniesienie sadzonek do hydroponiki i wzrost roślin
4. Przygotowanie przed zabiegiem
UWAGA: Ta procedura służy do testowania 20 substancji chemicznych z małej biblioteki związków w trzech egzemplarzach, z 100 μM ABA w 10 mM MES-KOH (pH = 6,2) i 10 mM MES-KOH (pH = 6,2) zawierających 1% (v/v) dimetylosulfotlenku (DMSO) jako odpowiednio kontrole pozytywne i negatywne.
5. Konfiguracja kamery termowizyjnej
6. Przygotowanie i leczenie roślin
7. Nagrywanie
8. Zbieranie danych
9. Analiza danych
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Eksperyment z użyciem czerwonego barwnika Erytrozyny B (0,8 kDa) demonstruje zdolność substancji chemicznych do widocznego wchłaniania przez ścięty korzeń do liścieni sadzonki słonecznika w ciągu 10 minut (Rysunek 1).
Gdy rośliny są traktowane ABA, w ciągu kilku minut wykrywa się wzrost temperatury liści u liścieni słonecznika. Ten wzrost temperatury liści wiąże się ze zmniejszeniem otworu szparkowe...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Liczba związków, które można przetestować w danym dniu, zależy głównie od (i) kontrolowanej środowiskowo przestrzeni dostępnej do uprawy roślin i przeprowadzenia badania przesiewowego, a także (ii) liczby osób, które mogą być zaangażowane w krok 6 protokołu. Zalecamy użycie trzech powtórzeń eksperymentalnych w celu utrwalenia interpretacji wyników po leczeniu statystycznym. W ciągu typowego dnia jedna lub dwie osoby mogą bez trudu przebadać 60 związków w trzech egzemplarzach, testując na przykład [60 substancji chemiczny...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Praca była wspierana przez Pomona College Start-up Funds i Hirsch Research Initiation Grants Fund (dla FJ), a także Pomona College Molecular Biology Program poprzez Stellar Summer Research Assistant Program (do KG).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 1020 plastikowych tacek do uprawy bez otworów | Standardowe tace 10 x 20 cali | ||
| Mikroprobówki 2,0 ml, bez nakrętki | Genesee Scientific | 22-283NC | |
| Kwas abscysynowy (ABA) | Sigma-Aldrich | A1049 | |
| Pompa powietrza | Active Aqua | AAPA7.8L | 2 wyloty, 3W, 7.8 L/min |
| Napowietrzacze | |||
| Biblioteka związków chemicznych | MicroSource Discovery | Natural Product Collection | |
| Creative Versa-Tool (narzędzie do spalania drewna) | Nasco | 9724549 | |
| Dimethylsulfoxide (DMSO), testowana hodowla komórek roślinnych | Sigma-Aldrich | D4540 | |
| Dwarf Sunspot Nasiona słonecznika | Outsidepride.com | ||
| Erythrosin B | Sigma-Aldrich | 200964 | |
| Zestaw nawozów hydroponicznych (FloraBloom, FloraGrow, FloraMicro) | General Hydroponics | GL51GH1421.31.11 | |
| Kimwipes Delikatne wycieraczki do | Kimberly-Clark Professional | 34155 | |
| Hydrat | Dell | ||
| MES | Sigma-Aldrich | M2933 | |
| Nożyczki | |||
| Microsoft Excel | Microsoft | ||
| Wodorotlenek potasu (KOH) | Sigma-Aldrich | P5958 | |
| Oprogramowanie ResearchIR | FLIR | ||
| R-Tech Sztywna płyta z pianki polistyrenowej | Izolacyjne | ||
| pianki Nasiona | Araponika | Nie dotyczy | |
| Super Tub (plastikowa wanna użytkowa) | Maccourt | ST3608 | Wanna 36 x 24 x 8 cali używana do hydroponiki |
| T450sc LWIR (długofalowa) Ręczna kamera termowizyjna | FLIR | FLIR-T62101 | W zestawie wymagany ładujący i USB potrzebny do podłączenia do laptopa |
| do wody wermikulitowej | |||
| SunSun | HW-304B Pro |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie