Секреция корневых экссудатов обычно является внешней стратегией детоксикации растений в стрессовых условиях. В этом протоколе описывается, как оценить влияние ксенобиотиков на люцерну с помощью нецелевого метаболомного анализа.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Секреция корневых экссудатов обычно является внешней стратегией детоксикации растений в стрессовых условиях. В этом протоколе описывается, как оценить влияние ксенобиотиков на люцерну с помощью нецелевого метаболомного анализа.
Корневые экссудаты являются основным средством передачи информации и передачи энергии между корнями растений и окружающей средой. Изменение секреции корневых экссудатов обычно является внешней стратегией детоксикации растений в условиях стресса. Этот протокол направлен на введение общих рекомендаций по сбору экссудатов корня люцерны для изучения влияния ди(2-этилгексил)фталата (DEHP) на производство метаболитов. Во-первых, саженцы люцерны выращивают под давлением DEHP в эксперименте по гидропонной культуре. Во-вторых, растения переносят в центрифужные пробирки, содержащие 50 мл стерилизованной сверхчистой воды, в течение 6 часов для сбора корневых экссудатов. Затем растворы лиофилизируют в вакуумной сублимационной сушилке. Замороженные образцы экстрагируют и дериватизируют реагентом бис(триметилсилил)) трифторацетамида (БСТФА). Затем дериватизированные экстракты измеряют с помощью системы газового хроматографа в сочетании с времяпролетным масс-спектрометром (ГХ-ТОФ-МС). Полученные данные о метаболитах затем анализируются на основе биоинформатических методов. Дифференциальные метаболиты и значительно измененные пути метаболизма должны быть глубоко изучены, чтобы выявить влияние DEHP на люцерну с учетом корневых экссудатов.
Ди(2-этилгексил)фталат (DEHP) представляет собой синтетическое химическое соединение, которое широко используется в различных пластмассах и полимерах в качестве пластификатора для повышения их пластичности и прочности. В последние несколько лет все большее число исследований показало, что DEHP является эндокринным разрушителем и оказывает неблагоприятное воздействие на дыхательную, нервную и репродуктивную системы человека и других животных 1,2,3. Учитывая риск для здоровья, Агентство по охране окружающей среды США, Европейский Союз и Центр мониторинга окружающей среды Китая включили DEHP в список приоритетных загрязнителей. Почва считается важным поглотителем DEHP в окружающую среду из-за применения пластикового мульчирования и органических удобрений, орошения сточными водами и применения на иловых фермах4. Как и ожидалось, в почвах сельскохозяйственных угодий повсеместно обнаружен DEHP, содержание которого в некоторыхрегионах Китая достигает даже 5,6 миллиграмма на килограмм высохшей почвы. DEHP может проникать в растения главным образом через корни и подвергаться биоусилению на различных трофических уровнях в почвенных экосистемах7. Поэтому в последние десятилетия была высказана серьезная озабоченность по поводу стресса, вызванного DEHP в растениях.
Растения обычно уязвимы к воздействию DEHP. Было замечено, что стресс DEHP оказывает неблагоприятное воздействие на прорастание семян и нормальный обмен веществ, тем самым подавляя рост и развитие растений 8,9. Например, DEHP может вызывать окислительное повреждение клеток мезофилла, уменьшать содержание хлорофилла и осмолитов и повышать активность антиоксидантных ферментов, что в конечном итоге приводит к снижению урожайности и качества съедобных растений10,11. Однако большинство предыдущих исследований реакции растений на стресс DEHP были сосредоточены на окислительном стрессе и физиологических и биохимических характеристиках. Соответствующие механизмы, связанные с метаболизмом растений, менее изучены. Корневые экссудаты — это общий термин, описывающий соединения, которые корни растений выделяют и выделяют в окружающую среду. Они рассматривались как среда взаимодействия между растениями и ризосферной почвой, играющая важную роль в поддержке роста и развития растений12. Хорошо известно, что корневые экссудаты составляют примерно 30-40% всего фотосинтезирующегоуглерода 13. В загрязненной среде корневые экссудаты участвуют в повышении устойчивости растений к стрессу загрязняющих веществ посредством метаболизма или внешнего исключения14. Как следствие, глубокое понимание реакции экссудатов корней растений на стресс загрязнения может помочь выявить основные механизмы, связанные с биохимией клеток и биологическими явлениями15.
Технология метаболомики обеспечивает эффективную стратегию одновременного измерения большого количества низкомолекулярных метаболитов в клетках 16,17, тканях18 и даже экссудатах организмов 19, включая сахара, органические кислоты, аминокислоты и липиды. По сравнению с традиционными или классическими методами химического анализа, метаболомный подход значительно увеличивает количество метаболитов, которые могут быть обнаружены20, что может помочь идентифицировать метаболиты с большей пропускной способностью и определить ключевые метаболические пути. Метаболомика широко используется в области исследований биологической реакции в стрессовых средах, таких как тяжелые металлы21, новые загрязнители22 и наночастицы19. Большинство из этих исследований на растениях были сосредоточены на метаболических изменениях во внутренних тканях растений, в то время как лишь немногие из них были зарегистрированы о реакции корневых экссудатов на стресс окружающей среды. Таким образом, целью данного исследования является введение общих рекомендаций по сбору экссудатов корня люцерны для изучения влияния DEHP на продукцию метаболитов. Результаты послужат методическим руководством для последующего изучения метаболомики растений с помощью DEHP.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Цель этого протокола состоит в том, чтобы обеспечить общий конвейер, от эксперимента по гидропонной культуре до метаболомного анализа, количественно оценивающего влияние DEHP на экссудаты корня люцерны.
1. Эксперимент с гидропонной культурой
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом протоколе представлен пример эксперимента по гидропонной культуре люцерны, предназначенного для получения проростков люцерны (Medicago sativa) в условиях стресса различных концентраций DEHP. Были назначены три обработки: контроль без каких-либо добавок и питательный раствор с добавлением 1 мг кг-1 и 10 мг кг-1 ди(DEHP. Концентрации DEHP были установлены в соответствии с реальным содержанием DEHP в почве23. Каждая процедура имела шесть повторений.
2. Сбор, экстракция и метаболомный анализ корневых экссудатов
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот протокол разделен на три части: эксперимент по сбору, эксперимент по экстракции и метаболомный анализ корневых экссудатов. Целью коллекционного эксперимента является перенос метаболитов, выделяемых в образцах растений, в систему растворов для последующей экстракции.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
В этом эксперименте экссудаты корня люцерны были собраны, экстрагированы и проанализированы в соответствии с вышеуказанными методами (рис. 1). Были созданы три группы лечения: контрольная, с низкой концентрацией DEHP (1 мг л-1) и с высокой концентрацией DEHP (10 мг л-1).
Всего на хроматографе контроля было обнаружено 778 пиков, из которых 314 метаболитов могли быть идентифицированы по масс-спектрам. Как показано на рисунк...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Этот протокол содержит общие рекомендации по сбору и измерению корневых экссудатов люцерны при стрессе DEHP, а также по анализу данных метаболома. Пристальное внимание необходимо уделить некоторым критическим шагам в этом протоколе. В экспериментах по гидропонным культурам саженцы люцерны культивировали на гидропонике в стеклянных бутылках, наполненных питательными растворами с различными концентрациями DEHP. Стеклянные бутылки следует защищать от света, покрывая их алюминиевой фольгой в течение всего периода культивиров...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторы заявляют, что у них нет известных конкурирующих финансовых интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в этой статье.
Эта работа была поддержана совместно Национальным фондом естественных наук Китая (41877139), Крупными проектами Национального фонда естественных наук Китая (41991335), Национальной программой ключевых исследований и разработок Китая (2016YFD0800204), Фондом естественных наук провинции Цзянсу (No BK20161616), Планом «135» и Программой границ Китайской академии наук (ISSASIP1615).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Адонитол | SIGMA | ≥ 99% | |
| Семена люцерны | Цзянсуская академия сельскохозяйственных наук (Нанкин, Китай) | ||
| Аналитические весы | Sartorius | BSA124S-CW | |
| BSTFA | REGIS Technologies | с 1% TMCS, v/v | |
| Центрифуга | Thermo Fisher Scientific | Heraeus Fresco17 | |
| Хроматографическая колонка | Agilent | ДБ-5МС (30 м & раз; 250 & м; m & times; 0,25 μ m) | |
| Ди(2-этилгексил) фталат | Д-р Эренсторфер | ||
| FAMEs | Д-р Эренсторфер | ||
| Газовая хроматография (GC) | Agilent | 7890A | |
| Шлифовальный инструмент | Shanghai Jingxin Technology Co., Ltd | JXFSTPRP-24 | |
| Масс-спектрометр (MS) | LECO | PEGASUS HT | |
| Метанол | CNW Technologies | ВЭЖХ | |
| метоксиаминатио гидрохлорид | TCI | AR | |
| Микроцентрифужная трубка | Eppendorf Eppendorf | Quality | 1,5 мл |
| Духовка | Shanghai Yiheng Scientific Instrument Co., Ltd | DHG-9023A | |
| Пиридин | Адамас | ВЭЖХ | |
| R программное обеспечение | программное обеспечение для статистического анализа (обогащение путей, топология) | ||
| SIMCA16.0.2 | программное обеспечение для статистического анализа (OPLS-DA и т. Д.) | ||
| Сверхнизкотемпературный морозильник | Thermo Fisher Scientific | Forma 900 серия | |
| Ультразвук | Шэньчжэнь Fangao Microelectronics Co., Ltd | YM-080S | |
| Вакуумная сушилка | Тайцан Хуамэй завод биохимических инструментов | LNG-T98 |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.