$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Wprowadzony tutaj system eksperymentalny pozwala na kontrolę eksperymentalnych i środowiskowych czynników zmieniających profile wysięku korzeniowego. Porównaliśmy wzrost A. thaliana w różnych warunkach oświetleniowych, wieku roślin i gęstości roślin w dwóch różnych laboratoriach (Rysunek 3). Rośliny wyglądały zdrowo we wszystkich laboratoriach (Rysunek 3A,B). Warunki dnia krótkiego (10 h światła vs. 16 h światła, Rysunek 3) skutkowały większą masą korzeni w porównaniu z warunkami długiego dnia (Rysunek 3C,D). Podobnie, całkowita masa korzeni wszystkich roślin uprawianych w warunkach długiego dnia była mniejsza niż w warunkach dnia krótkiego (Rysunek 3C). Ogólnie rzecz biorąc, zmienność wzrostu w słoikach i między nimi była niska we wszystkich laboratoriach.
System szklanych słoików jest kompatybilny z różnymi gatunkami roślin i etapami rozwoju. Punktem końcowym analizy wysięku korzeniowego jest zwykle 21 dni, ponieważ w naszych warunkach eksperymentalnych wiele gatunków roślin znajduje się w dojrzałym stadium wegetatywnym przed przejściem do etapu reprodukcyjnego (Rysunek 4A-E). Rośliny można łatwo usunąć z systemu doświadczalnego bez widocznych uszkodzeń systemu korzeniowego. W związku z tym określenie masy tkanek lub wykorzystanie tkanek do dalszej analizy jest proste. Największą masę pędów stwierdzono w przypadku pszenicy, a następnie sorgo i pomidora. Największą masę korzeni stwierdzono w przypadku sorgo, a następnie pszenicy i M. truncatula. Stosunek korzenia do pędu różni się w zależności od gatunku. Ogólnie rzecz biorąc, masa tkanek wahała się od 100 mg do 800 mg.
Centralnym aspektem systemów eksperymentalnych pozwalających na zbieranie wysięku z korzeni jest kontrolowane zaszczepianie mikrobami w celu zbadania interakcji roślina-mikroba w określonym środowisku. Przedstawiony system eksperymentalny może być utrzymywany w sterylności nawet przy wielokrotnych manipulacjach (patrz warunek 'kontrolny' w Rysunek 5), a bakterie mogą być dodawane i utrzymywane przez dłuższy czas. Kiedy 33-dniowe rośliny A. thaliana zostały zaszczepione mieszaniną bakterii komensalnych o OD600 0,004, bakterie utrzymywały się przez 12 dni, co było pełnym czasem trwania eksperymentu (Ryc. 5). Jednostki tworzące kolonie nawet zwiększyły się 100-krotnie w pożywce, a także skolonizowały korzenie (Rysunek 5C). Fenotypy inokulowanych roślin były nie do odróżnienia od tych z roślin sterylnych (Ryc. 5A,B).
Prezentowany system eksperymentalny pozwala na zbieranie wysięku w wielu warunkach eksperymentalnych. W tym miejscu przedstawiamy profile wysiękowe A. thaliana Col-0 zebrane kolejno w octanie amonu lub w wodzie z tych samych roślin (Ryc. 6A). Wysięki przechowywano w temperaturze -80 °C do czasu analizy, normalizowano przez masę korzeni i analizowano za pomocą spektrometrii mas. Próbki słoików zawierających rośliny przefiltrowano pod kątem kontroli eksperymentalnej (słoiki bez roślin). Spośród 2 163 metabolitów, 436 wykazało sygnał powyżej tła (20,16%) i zostały zachowane do analizy. Spośród nich 416 lub 95% związków wykazało wyraźną obfitość w warunkach eksperymentalnych. Jednak 26 metabolitów nie można przypisać żadnemu rodzajowi związku i w związku z tym nie są one zdefiniowane. Większość metabolitów (406 lub 98%) występowała w większej obfitości w wysiękach zbieranych w wodzie. Kolejne gromadzenie wysięków najpierw w octanie amonu, a później w wodzie, może wpływać na profil wysięku, ponieważ sygnały metaboliczne mogą z czasem rozrzedzać się. Jednak prawie wyłącznie wyższy sygnał wysięku w wodzie zebranej jako drugi punkt czasowy nie potwierdza tej hipotezy: gromadzenie się wysięku w czystej wodzie prawdopodobnie powoduje szok osmotyczny dla roślin, co powoduje zwiększoną obfitość metabolitów w porównaniu z rozpuszczalnikiem do zbierania równomolowym z roztworem wzrostowym (20 mM octan amonu jest równomolowy z 0,5x pożywką MS). Badania klas chemicznych zidentyfikowanych związków w obu warunkach wzrostu wykazały, że większość związków to kwasy organiczne i pochodne (28,6%), a następnie organiczne związki tlenu (18%), związki organo-heterocykliczne (14,2%) i lipidy (13,2%). Tylko niewielka podgrupa metabolitów należy do fenylopropanoidów i poliketydów (8,7%) oraz benzenoidów (6%). Organiczne związki azotu, nukleozydy, związki siarkoorganiczne, alkaloidy, lignany i związki pokrewne stanowią od 2% do 0,5% sklasyfikowanych związków (Rysunek 6B). Rozkład metabolitów przedstawionych tutaj odpowiada już opublikowanym danym przy użyciu innych typów systemów zbierania wysięków korzeniowych24.

Rysunek 1: Ustawienie szklanego słoika. (A) Słoik ze szklanymi koralikami. (B) Słoik ze szklanymi koralikami gotowymi do sterylizacji w autoklawie. (C) Sadzonki w słoikach (widok z góry). (D) Sadzonki w słoiku (widok z góry) z taśmą mikroporową 1,25 cm. (E) Sadzonki w słoikach (widok z boku) z taśmą mikroporową 1,25 cm. (F) Sadzonki w słoikach (widok z boku) z taśmą mikroporową 1,25 cm i pokrywką. (G) Kompletny zestaw słoików z sadzonkami w słoikach (widok z boku) z taśmą mikroporową 1,25 cm, pokrywką i taśmą mikroporową 2,5 cm. (H) Pełna konfiguracja słoika (widok z góry). (I) Rośliny w wieku 21 dni i gotowe do zbioru (widok z góry). Rozmiar słoika 147 mm wysokość x 100 mm średnica. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Sadzonki sterylizowane powierzchniowo na 0,5x średnich płytkach agarowych Murashige i Skoog w komorze wzrostowej. (A) Arabidopsis thaliana (6 dni), (B) Brachypodium distachyon (6 dni), (C) Medicago truncatula (6 dni), (D) A. thaliana (18 dni). Rozmiar płytki agarowej 120 mm x 120 mm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Rośliny Arabidopsis thaliana Col-0 uprawiane w słoikach w warunkach krótkiego i długiego dnia. (A) Słoik z trzema 33-dniowymi roślinami uprawianymi w warunkach dnia krótkiego (10 h światła/14 h ciemności, 220 μmol m-2 s-1 natężenie światła, 21 °C dzień/18 °C noc) oraz (B) słoik z pięcioma 21-dniowymi roślinami uprawianymi w długich warunkach dziennych (16 h światła/8 h ciemności, 150-160 μmol m-2 s-1 natężenie światła, 22 °C w dzień/18 °C w nocy). Masa korzeni (C) wszystkich roślin z jednego słoika i (D) pojedynczych roślin. ** reprezentują wartości istotności testu t (p < 0,05). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Pięć filogenetycznie odrębnych gatunków w dniu 21 w systemie sterylnych szklanych słoików. (A) modelowy jednoliścienny Brachypodium distachyon, (B) model rośliny strączkowej Medicago truncatula, (C) dwuliścienne Solanum lycopersicum (pomidor), (D) dwuliścienne Sorgo bicolor, (E) jednoliścienne Triticum aestivum (pszenica). (F) Świeża masa korzeni i pędów gatunków hodowanych w szklanych słoikach. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Arabidopsis thaliana Col-0 (33-dniowy) uprawiany w warunkach dnia dziennego. (A) w sterylnym układzie lub (B) zaszczepiany przez 12 dni konsorcjum bakterii komensalnych. (C) Jednostki tworzące kolonie dla sterylnych (kontrolnych) i zaszczepionych słoików z substratem wzrostu (po lewej) i korzeniem (po prawej). N = 4 słoiki dla sterylnych warunków kontrolnych i n = 8 słoików dla warunków zaszczepionych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Wyraźne profile wysięku korzeniowego dla 21-dniowej A. thaliana Col-0. Wysięki zbierano przez 2 godziny w sterylnym octanie amonu 20 mM (pH 5,7), a następnie przez 2 godziny w sterylnej, przefiltrowanej wodzie dejonizowanej. Metabolity wykryto za pomocą spektrometrii mas z wykorzystaniem bezpośredniego wstrzyknięcia. (A) Analiza głównych składowych 436 metabolitów wykrytych powyżej poziomu tła (porównanie słoików z roślinami i słoików bez roślin). PC: główny składnik z wyjaśnioną wielkością wariancji. Niebieski: wysięki zebrane w wodzie, żółte: wysięki zebrane w octanie amonu. (B) Wykres kołowy 416 metabolitów istotnie różniących się między warunkami eksperymentalnymi (test Tukeya) zabarwiony zgodnie z nadklasą (https://cfb.fiehnlab.ucdavis.edu/). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
| Gatunek | Przygotowanie nasion | Czas w 70% etanolu (min) | Stężenie podchlorynu sodu (NaClO) (v/v % wybielacza) | Czas w wybielaczu (min) |
| Arabidopsis thaliana | | 15 | Brak; 100% etanolu | 15 |
| Dystachyon Brachypodium* | Łuskanie | 0,5 | 6 | 5 |
| Medicago truncatula*a | | Rozdział 30 | 6 | Rozdział 30 |
| Solanum lycopersicum* | | 0,5 | 6 | 5 |
| Sorgo dwukolorowe* | Łuskanie | 0,5 | 6 | Rozdział 30 |
| Triticum aestivum* | Łuskanie | 0,5 | 12 | 20 |
Tabela 1: Metody sterylizacji nasion powierzchniowych dla wielu gatunków. *Myte 4-5x przefiltrowaną wodą dejonizowaną między etanolem a wybielaczem i na końcu; inkubacja przez 3-6 godzin po wybielaniu, zastępowanie przefiltrowaną wodą dejonizowaną co 30 minut.
| gatunek | Dzień do słoików | Liczba roślin |
| Brachypodium distachyon | od 4 do 5 | 3 |
| Sorgo dwubarwne | od 4 do 5 | 3 |
| Triticum aestivum (Święto szlachetne) | od 4 do 5 | cyfra arabska |
| Medicago truncatula | od 5 do 6 | 3 |
| Solanum lycopersicum | od 7 do 8 | 3 |
| Arabidopsis thaliana (rzodkiewnik pospolity) | 17 | od 3 do 5 |
Tabela 2: Wiek sadzonek w dniach do przeniesienia do słoików i liczba roślin w słoiku dla różnych gatunków roślin.