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Biology

可扩展、灵活且经济高效的育苗嫁接

Published: January 6, 2023 doi: 10.3791/64519

Summary

该协议描述了一种强大的幼苗嫁接方法,该方法不需要先前的经验或培训,并且可以使用大多数分子生物学实验室中易于获得的材料以非常低的成本执行。

Abstract

早期幼苗嫁接已成为分子遗传学中研究植物内根冠关系的流行工具。小型模式植物拟 南芥的早期幼苗嫁接由于其幼苗的大小和脆弱性,在技术上具有挑战性且耗时。越来越多的已发表方法描述了这种技术,其成功率、难度和相关成本各不相同。本文介绍了使用有机硅弹性体混合物制作内部可重复使用接枝装置的简单程序,以及如何使用该装置进行幼苗嫁接。在本文发布时,每个可重复使用的嫁接设备的生产消耗材料成本仅为0.47美元。使用这种方法,初学者可以在不到 3 周的时间内从开始到结束获得他们的第一个成功嫁接的幼苗。这种高度可访问的程序将使植物分子遗传学实验室能够将幼苗嫁接作为其实验过程的正常部分。由于用户可以完全控制这些嫁接设备的创建和设计,如果需要,可以很容易地调整这种技术以用于较大的植物,如番茄或烟草。

Introduction

嫁接是一种古老的园艺技术,在公元前500 年成为一种既定的农业实践 1.嫁接不同品种的作物以提高产量是该技术的首次使用,并且今天继续用于此目的。在过去的十年中,嫁接作为分子生物学家研究植物长距离信号传导的工具引起了越来越多的关注2,345虽然嫁接成年植物相对容易,但在发芽后不久嫁接植物具有挑战性。尽管如此,有时需要评估长距离信号在植物发育、环境响应和开花等过程中的影响678.

拟南芥已被确定为植物生物学中的模式生物,原因有很多,包括其相对较小的尺寸,使其易于在实验室内生长。然而,拟南芥幼苗的体积小且脆弱,使得嫁接幼苗非常具有挑战性。在许多情况下,需要大量的实践培训才能成功获得幼苗移植物。多年来,已经有许多方法上的改进,已经确定了理想的生长条件和新技术,以提高幼苗嫁接的成功率91011。最新推出的工具是拟南芥幼苗嫁接芯片,即使是没有经验的用户也能达到可接受的嫁接成功水平12。虽然这一进步大大降低了幼苗嫁接的技术门槛,但芯片装置价格昂贵,并且可以并行进行的移植数量很快变得成本高昂。

此外,该装置只能用于下胚轴尺寸与野生型幼苗相似的 拟南芥 幼苗。虽然 拟南芥 是植物分子遗传学领域的关键物种,但最近的工作已经在其他物种中使用幼苗嫁接完成。例子包括将大豆和普通豆、烟草嫁接到番茄、油菜嫁接到拟 南芥,随后对两种组织进行小 RNA1314 的采样。因此,非常需要一种大多数实验室都可以使用的嫁接方法,并且可以很容易地适应各种植物物种,而无需任何重大的技术变化。

该协议详细介绍了一种采用内部生产简单嫁接装置的方法,该方法允许完全定制嫁接通道直径和长度,以适应大多数植物物种的任何幼苗形态。这些设备的生产非常实惠且高度可扩展,因为唯一需要的组件是有机硅弹性体、正确尺寸的布线或管子、高精度刀片和用作模具的容器。按照此处详述的嫁接方案,用户可以实现45%的成功嫁接率(n = 105),与先前报道的嫁接结果相当1012

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Protocol

1. 设备准备

  1. 通过将有机硅弹性体溶液浇注在方形培养皿(100 mm x 100 mm)中来制作有机硅接枝装置。按照制造商的指南准备 15 mL 弹性体溶液。
    注意:有机硅弹性体套件通常包括有机硅基液体和固化剂,当混合在一起时,有机硅会凝固。
  2. 通过在方形培养皿中铺设四根直的29G线来准备方形培养皿,彼此等距(图1A)。确保电线与模具底部齐平。要完全拉直电线,请用重而扁平的物体(例如,金属管架)将其在坚硬均匀的表面上滚动。
    注意:扎带通常包含 29 G 线,可在用丙酮去除外层纸张涂层后使用。
  3. 将混合的有机硅弹性体溶液倒在电线的顶部,并用培养皿的顶部覆盖。让硅胶在室温下固化24-48小时。
  4. 使用干净的镊子从培养皿中取出硅胶片,然后移动到干净的平坦表面上。
  5. 从硅胶片上取下电线。用细点镊子去除残留在通道外部的薄层硅胶,使通道在一侧打开(图1A)。
  6. 使用干净的剪刀将硅胶片垂直于通道切成 3 毫米的条状。将每条带到铝箔信封上,并用高压釜胶带密封。
  7. 将条带在121°C高压灭菌至少30分钟并储存直至准备使用。

2. 育苗准备

  1. 对种子进行消毒和春化。
    1. 将多达 100 个 拟南芥 种子悬浮在 1 mL 含有 0.1% 吐温 20 的 1 mL 50% 漂白剂溶液中,在 1.5 mL 微量离心管中,并孵育 5-10 分钟。在无菌条件下通过移液或抽吸除去漂白剂溶液。用 1 mL 灭菌的 dH2O 冲洗种子,确保倒置试管以充分冲洗种子并去除留在试管顶部的任何漂白剂溶液。重复冲洗4次。
    2. 在装有种子的管中留下约0.25mL的水,并在4°C下在黑暗中储存3天。
  2. 将种子铺板以准备嫁接。
    1. 准备1%琼脂MS平板如下:对于1L MS(0.5%蔗糖)固体培养基,将4.4gMS盐,5g蔗糖和10g琼脂混合在800mL水中,用KOH将pH调节至5.7,然后用额外的水使总体积达到1L。高压灭菌至少20,分钟,然后将~25mL倒入方形培养皿中。
    2. 在无菌条件下,使用20μL移液器吸出并转移种子,将适当数量的准备好的种子移动到平板上。
    3. 将无菌条放在板表面上以引导种子定位,使种子与条带上的通道对齐。种子铺板后取下条带。
      注意:一个 100 mm x 100 mm 的方形板可容纳两排幼苗(图 1B)。
    4. 板站立后,让液体从固体介质中蒸发出来并汇集在板底部。将种子放入平板上后,放在板盖上,并用封口膜密封与两排种子平行的板的一侧( 由图1B中的蓝色突出显示区域表示)。将透气胶带缠绕在封口膜的顶部和盘子的所有其他边缘周围。
  3. 小心地站立两块板,封口膜密封的一面朝下。通过在底部放置一个水平的 15 mL 离心管来分隔底部的两个板,并用橡皮筋固定。确保板表面与台面形成 100°-110° 角(图 1C)。
  4. 将板以该方向在21°C下完全黑暗中储存72小时,以使幼苗下胚轴长~5mm长。72小时后,从黑暗中取出板,并在16小时光照(强度为100μE m -2 sec-1)和8小时黑暗循环下在相同温度下再生长2-4天,然后再嫁接。
  5. 在接种后 5 至 7 天之间嫁接幼苗。在幼苗上放置嫁接条,将它们的下胚轴放入通道中。轻轻定位幼苗,使根-下胚轴连接处位于硅胶条的底部,以准备切割幼苗(图1D)。

3. 移植程序

  1. 通过用70%乙醇消毒解剖镜并高压灭菌两对细尖镊子和手术刀手柄来准备无菌工作环境。根据需要在无菌罩中并借助解剖镜执行所有移植程序。使用10.5倍的放大倍率进行大部分移植。
  2. 准备接穗。使用新鲜的手术刀刀片垂直切割下胚轴,以形成笔直干净的切割。向前推动叶片而不是向下压入植物,以防止幼苗被推入琼脂(视频1)。
  3. 取下嫩芽。通过确保与介质表面接触,注意保持芽的切割部分水分。或者,将芽移动到指定的保持区域,例如装满无菌dH2O的培养皿的顶部,直到准备使用。
  4. 准备砧木。通过在闭合的镊子之间的剩余空间中抓住根并转动它们来轻轻拉动根部,将砧木的切割部分留在条带的中间(视频2)。
    注意:如果直接在闭合的镊子之间压碎,脆弱的根部将损坏,因此需要在镊子末端的尖角处楔入根部以操纵组织。
  5. 使用细尖镊子轻轻地拿起所需的芽,然后插入通道顶部。
    注意:目视确认接穗和砧木之间的接触以获得成功的移植至关重要(视频3)。
  6. 完成所有移植后,用封口膜和透气胶带包裹板,并以与以前相同的方式设置板,而不会干扰幼苗或硅胶条。小心地将板移动到设定在26°C的生长室中,具有16小时光照/ 8小时黑暗循环。
  7. 7-10天后在无菌条件下评估嫁接幼苗。用镊子小心地取出硅胶条,剥开一侧,让通道释放幼苗。用新鲜的手术刀刀片从接穗上切下接穗,或使用细尖镊子压碎它们,以去除从接穗上生长的任何不定根。目视评估砧木是否已牢固地附着在接穗上以形成成功的移植物(图2)。
  8. 将成功的嫁接物移动到幼苗繁殖土壤上,以便根据需要生长。随着幼苗的建立,用透明塑料覆盖土壤几天。将植物转移到土壤中后,在前面提到的21°C的光照和黑暗循环下生长。

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Representative Results

对接枝条设计的各个方面进行了测试,以确定需要最少技术技能的最佳接枝条件(表1)。所有嫁接试验均在0.5%蔗糖MS培养基上完成,该培养基先前已被报道为理想的接枝培养基1112

条上发芽无法实现最佳幼苗生长
在硅胶条的第一次迭代中,将电线从硅胶片上取下后留在带材通道背面的薄层硅胶制成封闭通道。不是直接在平板上发芽幼苗,然后将嫁接条放在幼苗下胚轴上,而是将种子插入充满少量MS培养基的通道后,直接在条带上发芽。使用这种技术,一半的幼苗在发芽过程中卡在通道中并且无法伸长。包括未发芽和非细长幼苗,成功嫁接率达到25%(n = 16)(表1)。为了解决观察到的伸长失败,种子被定向,使胚胎的子叶和自由基在发芽期间指向下方。使用这种方法,75%的种子成功发芽并伸长,导致嫁接效率略有提高(33%成功,n = 12)(表1)。为了增加幼苗的成功发育,从接枝条的培养基侧去除封闭通道的有机硅薄层,以允许种子和生长培养基之间接触(图1A)。使用该方法,85%的幼苗成功发芽并伸长,31%(n = 16)成功嫁接(表1)。尽管显著提高了条带上适当种子发育的速度,但在不同实验组之间进行相互移植时,即使失去少量幼苗也会显着影响实验种群规模。因此,直接在培养基表面上发芽幼苗被确定为理想。

保持幼苗成活率,最大限度地减少加工时间和工作量
首先培养幼苗用于在MS平板(1%蔗糖)上嫁接,转移到固体表面(例如装满水的培养皿的盖子)进行切割,然后与条带组装在板上进行嫁接。使用这种技术,观察到50%的成功率(n = 8)(表1)。虽然这种方法获得了最高的成功率,但它既耗时又费力,每次移植需要2.5分钟,限制了一次可以组装的移植物数量。为了减少所需的时间和精力,如本协议所述,在嫁接板上垂直培养幼苗(0.5%蔗糖),然后在嫁接前直接插入试纸中。为了进一步测试这种方法,进行了三项不同规模的试验。前两项试验的成功率为48%(n = 25和64),第三项试验的成功率为25%(n = 16)(表1)。这些试验加在一起表明成功率为45%(n = 105)。该成功率与更耗时的方法相当,每次移植大约需要1分钟才能将嫁接条放在幼苗上并完成嫁接(方案步骤3.2-3.5)。

嫁接成功率在很大程度上取决于接枝条结构的质量。虽然前两项试验的成功率为48%,但第三次试验的成功率较低。嫁接条的手工制作质量固有地导致嫁接部位之间的细微差异。如果用于带材结构的电线不是完全直的, 那么带材中的通道将不会与模具底部齐平,并会导致深度略有变化的通道.每个带材铸件总共制作 25 条带材,从而产生 100 个独特的接枝位点(表 2)。虽然在两项较大的试验中,移植部位的轻微变化的影响是平衡的,但在成功率较低的较小试验中,似乎由于略微弯曲的导线而具有更多变化的移植部位可能会对移植物的形成产生负面影响。为了尽量减少这种类型的变化,协议步骤1.2中描述了线矫直技术。

Figure 1
图1:接枝制备步骤示意图 。 (A)硅胶条模具设计模型。该面板演示了用于铸造硅胶条的方形板模具。在板的底部铺设四段等长的29 G电线,并在它们上面倒入有机硅弹性体混合物(上图)。硅胶完全固化后,从板上去除硅胶方块并去除电线以创建接枝通道。移除电线后,通道底部会残留一层薄薄的硅胶(用*表示)。应删除此层以使底部(下图)的通道保持打开状态。然后将正方形垂直于线槽切割成 3 mm 条状,如虚线(上图)所示。(B)种子在嫁接板上的位置。借助无菌条,将两行种子与条带通道对齐放置在平板上。放置种子后,应去除该条带以防止任何发芽障碍。为了准备用于垂直生长的MS板,应沿板的底部(根侧)边缘缠绕封口膜,此处用蓝色突出显示标记。(C)种子发芽的垂直板位置。铺板后,种子在倾斜的板上垂直发芽。将 15 mL 锥形管放置在两个板的底部,以在板表面和台面之间形成略微钝的角度。板的封口膜边缘(用蓝色标记)朝向台面。橡皮筋缠绕在两个板的顶部以将它们固定到位。(D)嫁接前直接将幼苗定位在条带中。将无菌嫁接条放置在幼苗的顶部,条带通道内有下胚轴。 请点击此处查看此图的大图。

Figure 2
图 2:在解剖镜上捕获的图像,显示愈合的移植部位。 黑色箭头表示移植连接部位,红色箭头表示在移植评估过程中去除的不定根。比例尺 = 0.5 mm。 请点击此处查看此图的大图。

视频1:使用活体植物成像进行主动嫁接演示。 手术刀刀片的位置和运动,以创建干净的切割。通过向前推动手术刀刀片,将幼苗下胚轴直接切在嫁接条上方。 请点击此处下载此视频。

视频 2:定位切割的砧木下胚轴以在条带内移植。 使用镊子轻轻拉动砧木,将移植物连接位点定位在条带的中间。 请点击此处下载此视频。

视频3:放置接穗并完成移植。 接穗被更换并推入条带中,直到它与砧木连接。通过观察下胚轴在轻轻推动接穗时的反应来评估正确的对齐和接触。 请点击此处下载此视频。

表1:移植试验变量和成功率。 下表总结了用于确定最高成功率的最佳移植方案的移植试验的结果。这些试验中检查的变量包括幼苗发芽条件、硅胶条结构以及在嫁接过程中将幼苗插入硅胶条通道的时间。 请按此下载此表格。

表 2:250 mL 有机硅弹性体瓶可产生的接枝位点数。 此处(发布时)也显示了每个生产单位的价格,并且可以根据有机硅弹性体试剂的市场价值波动轻松调整。 请按此下载此表格。

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Discussion

总结和意义
嫁接愈合的形成对于成功嫁接至关重要,这需要砧木和接穗之间直接且不受干扰的接触。拟南芥等小型植物幼苗的微型尺寸和脆弱性使得满足这一要求在技术上具有挑战性。在早期拟南芥幼苗嫁接方法中开发的一种技术是将接穗和砧木插入短硅胶管圈中以支撑移植连接10。虽然这种方法在保护两个移植部分不分离方面非常有效,但将脆弱的接穗和砧木插入窄孔管中并非易事。此外,生长过程中连接处的增厚通常使得在不损坏嫁接幼苗的情况下去除窄孔硅胶管变得困难。其他方法使用替代技术来避免使用嫁接项圈,同时防止幼苗在生长过程中移动,包括从接穗中去除两个子叶并在斜表面上生长嫁接幼苗911。虽然这些方法需要很少的资源来完成,但当试验时,这些方法导致高水平的接穗从砧木迁移,导致嫁接成功率低于使用这些技术的报道(两项研究中推荐条件的平均80%)。此外,它们都要求用户在没有任何辅助的情况下对齐移植幼苗部件之间的接口,这是一项需要高水平技能的任务。最近报道了一种专门为拟南芥幼苗嫁接设计的微嫁接芯片12。每个芯片包含四个微室,允许四个幼苗生长,腔室空间的特殊设计使下胚轴能够在微通道内生长。砧木在芯片上就地生成,接穗插入微通道。这消除了处理砧木和接穗进行嫁接的需要,并且微通道将嫁接限制在适当的位置,而不会牺牲一旦形成嫁接结合就去除幼苗的便利性。虽然这种新方法大大降低了幼苗嫁接的技术障碍,但微接枝芯片的制造需要微机电系统(MEMS),这是大多数生物实验室不易获得的技术。针对拟南芥Col-012优化了微接枝芯片上微室的尺寸。这可以防止将芯片用于其他物种或具有高度或厚度不同的下胚轴的不同拟南芥种质/突变体151617

这里描述的低成本、灵活且易于遵循的方法受到先前微嫁接芯片工作的启发,以促进幼苗嫁接。在这种方法中,对娇嫩幼苗的操作最少,简化了新用户的使用。条带中的通道可帮助新用户对齐嫁接幼苗,并在嫁接部位形成期间保持根部和芽部的良好接触,同时还确保在嫁接形成后易于移除。由于有机硅条的高通量生产和相对较低的起始材料成本,可以以微接枝芯片的一小部分成本实现大量幼苗的嫁接。这种自制设备估计每个嫁接部位的成本为0.12美元,使其成为处理各种植物物种或幼苗表型的实验室的经济选择(表2)。虽然接枝条的手工制作方面降低了与这种方法相关的成本,但它也引入了不同条带之间变化的机会。如前所述,接枝条的质量是该方法成功的关键。分子遗传学中早期幼苗嫁接应用的兴起,使植物遗传学领域成为研究植物长距离信号传导的有力工具。这种简单、低成本且易于获取的方法将提供另一种工具,帮助实验室成功采用幼苗嫁接技术,只需最少的先前培训和经验。

关键注意事项
诸如启动伤口修复反应、在接穗和砧木之间建立细胞间通信以及最终血管系统形成等过程对于成功形成移植物是必要的9.在嫁接过程中,重要的是保持幼苗水分和不受损害,这是必要的。使用这种方法,根和接穗的切割端必须干净且垂直,以确保接穗和砧木之间的齐平连接。如果在切割过程中移植部位受损,或者接枝片没有以相同的角度切割,则由于跨接枝连接处的细胞层之间缺乏紧密接触,因此不太可能成功接枝。如果让植物的任何嫁接部分干燥或损坏,前面提到的过程将被抑制,嫁接将不会成功。幼苗脆弱,容易被镊子压碎。如果用户认为有必要,可以使用镊子抓住两个子叶中的一个来操纵接穗。与之前报道的接枝芯片方法相比,在将下胚轴向下拉入硅胶条时损坏砧木的机会增加了。协议步骤 3.4 中描述了将这种风险降至最低的处理技术。

建议每个条带总共四个嫁接位点,以确保幼苗在嫁接结形成阶段不会相互接触。为了增加一次进行的移植总数,建议用户增加使用的板数量,而不是减少每个移植物使用的空间量。

可以修改方案以适应不同的下胚轴生长或非拟南芥 物种
一些突变体以不同的速率感染野生型植物。赤霉素、油菜素类固醇、乙烯和生长素等植物激素在幼苗生长调节中起广泛作用181920。在这些激素途径中存在缺陷的突变系可能会经历非典型症状率1617。接枝条的用户控制设计允许适应这些表型差异,但在这些情况下需要进行充分的测试。如果使用的基因系经历的感染率与野生型明显不同,则用户应在开始之前确定此处描述的 3 天感染期是否适合他们的品系。幼苗不充分会导致下胚轴缩短或过度延长(和变薄)而导致嫁接困难。对拟南芥以外的物种的嫁接幼苗感兴趣的用户可以通过改变嫁接通道直径来调整此协议以满足他们的需求。生长到适当嫁接年龄的番茄和烟草幼苗似乎分别需要直径为0.8和0.4毫米的嫁接通道9。

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Disclosures

作者声明不存在利益冲突。

Acknowledgments

感谢哈维尔·布鲁莫斯(Javier Brumos)在嫁接 拟南芥 幼苗方面的初步培训和指导。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
15 mL conical tubes VWR International Inc 10026-076
ACETONE (HPLC & ACS Certified Solvent) 4 L VWR BJAH010-4
BactoAgar Sigma A1296-500g
Dow SYLGARD 184 Silicone Encapsulant Clear 0.5 kg Kit Dow 2646340
D-Sucrose (Molecular Biology), 1 kg Fisher Scientific BP220-1
Eppendorf Snap-Cap Microcentrifuge Flex-Tube Tubes (1.5 mL), pack of 500 Fisher Scientific 20901-551 / 05-402
Fisherbrand High Precision #4 Style Scalpel Handle Fisher Scientific 12-000-164
Fisherbrand Lead-Free Autoclave Tape Fisher Scientific 15-901-111
Fisherbrand square petri dishes Fisher Scientific FB0875711A
Leica Zoom 2000 Stereo Microscope Microscope Central L-Z2000
Micropore Tape 3M B0082A9FEM
Murashige and Skoog Basal Medium Sigma M5519-10L
Parafilm Genesee Scientific 16-101
potassium hydroxide VWR International Inc AA13451-36
Redi-earth Plug and Seedling Mix Sun Gro Horticulture SUN239274728CFLP
Scotts Osmocote Plus Hummert International 7630600
Surgical Design No. 22 Carbon Scalpel Blade Fisher Scientific 22-079-697
Tween 20, 500 mL Fisher Scientific BP337500
TWEEZER DUMONT STYL55 DUMOXEL POLS 110 MM VWR 102091-580

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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生物学,第191期,
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Yell, V., Li, X. Scalable, Flexible, More

Yell, V., Li, X. Scalable, Flexible, and Cost-Effective Seedling Grafting. J. Vis. Exp. (191), e64519, doi:10.3791/64519 (2023).

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