Mikroskopia od dawna jest filaretem badań nad organizacją chromatyny i architekturą jądra komórkowego, ujawniając sposób, w jaki DNA oraz białka związane z histonami układają się w przestrzeni jądrowej 3D i wpływają na regulację genów1,2. Konwencjonalna mikroskopia fluorescencyjna dostarczyła cenny wgląd w duże domeny chromatyny, takie jak terytoria chromosomowe, chromocentry i ciała jądrowe3,4, wykonalne in situ, w szczególności w tkankach korzeniowych roślin3,5,6. Jednakże techniki te są zasadniczo ograniczone przez barierę dyfrakcyjną światła, ograniczając rozdzielczość przestrzenną do około 200 nm wzdłużnie i 500 nm wzdłuż osi7. To ograniczenie kryje szczegóły w skali nanometrów fałdowania chromatyny, wzorców modyfikacji histonów i kompartmentalizacji transkrypcyjnej, które leżą u podstaw regulacji epigenetycznej. Aby pokonać tę barierę, opracowano podejścia mikroskopii superrozdzielczej (SRM), takie jak mikroskopię z ulepszonym oświetleniem (SIM)8, deplecję emisji stymulowanej (STED)9,10 oraz mikroskopię lokalizowania pojedynczych cząsteczek (SMLM)11,12, aby osiągnąć rozdzielczość od 100 nm do kilku nm13.
Wśród technik SRM, SMLM – w tym Fotoaktywowana Mikroskopia Lokalizacji (PALM)13 oraz bezpośrednia Mikroskopia Rekonstrukcji Optycznej Stochastycznej (dSTORM) – oferuje wyjątkową rozdzielczość przestrzenną w połączeniu ze specyficznością molekularną14. Wykrywając pozycje pojedynczych fluoroforów w czasie, SMLM rekonstruuje precyzyjne obrazy w skali nanometrów domen chromatyny, znaków histonowych i struktur jądrowych w pojedynczych komórkach15,16. Ta zdolność zmieniła badania nad chromatyną w systemach ssaków, gdzie SMLM zostało zastosowane do wizualizacji skupiania nukleosomów, zagęszczania chromatyny i wzorców modyfikacji histonów z niespotykanym dotychczas szczegółem15,16,17. Natomiast zastosowanie SMLM do jąder roślinnych pozostaje ograniczone, głównie z powodu wyzwań technicznych związanych z właściwościami tkanki roślinnej – takimi jak wysoka autofluorescencja, sztywność ściany komórkowej oraz obecność związków rozpraszających światło, jak skrobia i chlorofil18. Co więcej, delikatna natura jąder podczas izolacji i oznakowania wymaga zoptymalizowanych przepływów pracy, aby zachować integralność strukturalną i zminimalizować fluorescencje tła podczas długotrwałych sesji obrażowania.
Opisany tu protokół został pierwotnie opracowany przez Elizabeth Kracik-Dyer i Célię Baroux do mikroskopi deplecji emisji stymulowanej (STED)19. Następnie został zoptymalizowany i dostosowany, aby spełnić konkretne wymagania obrażowania STORM z integracją wiedzy pochodzącej z opublikowanych zastosowań w mikrobologii20,21,22. Ogólnym celem jest zapewnienie usprawnionego i powtarzalnego przepływu pracy dla obrażowania SMLM izolowanych jąder Arabidopsis thaliana. Poprzez integrację zoptymalizowanej fiksacji, łagodnego rozerwania mechanicznego i oznakowania fluoroforem w zawiesinie, ta metoda zachowuje morfologię jądra, jednocześnie efektywnie usuwając zanieczyszczenia cytoplazmatyczne, które często kompromitowały jakość obrażowania. Unieruchomienie oznaczonych jąder na poduszkach z agarozy o niskiej temperaturze topnienia zapewnia stabilność mechaniczną podczas akwizycji, umożliwiając długotrwałe obrażowanie jednocząsteczkowe z precyzją w skali nanometrów. W porównaniu z wcześniej opisanymi protokołami SRM dla jąder roślinnych – szczególnie tymi opartymi na mikroskopii STED19,23 – ten przepływ pracy wykorzystuje fluorofory fotoprzełączalne (np. AF647, JF549) i zmniejsza fluorescencje tła dzięki krokom płukania, które usuwają chlorofil i zanieczyszczenia tkankowe, poprawiając jednorodność oznakowania poprzez bezpośrednie dodanie cząsteczki oznakowania do fiksowanych i permeabilizowanych jąder. W rezultacie umożliwia konsekwentną wizualizację modyfikacji chromatyny, przedziałów jądrowych i wzorców epigenetycznych w pojedynczych jądrach. Obniżając bariery techniczne dla implementacji SMLM w roślinach, ta metoda poszerza dostępność obrażowania w skali nanometrów i zapewnia podstawę do badania, jak organizacja chromatyny i architektura jądra przyczyniają się do regulacji genów w odpowiedzi na wskazówki rozwojowe i środowiskowe.