$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Burada tanıtılan deneysel sistem, kök eksüdasyon profillerini değiştiren deneysel ve çevresel faktörlerin kontrolüne izin verir. İki farklı laboratuvarda farklı aydınlatma koşulları, bitki yaşı ve bitki yoğunlukları altında A. thaliana büyümesini karşılaştırdık (Şekil 3). Bitkiler laboratuvarlarda sağlıklı görünüyordu (Şekil 3A,B). Kısa gün koşulları (10 saat ışıklara karşı 16 saat ışık, Şekil 3), uzun gün koşullarına kıyasla daha yüksek kök kütlesi ile sonuçlandı (Şekil 3C, D). Benzer şekilde, uzun gün koşullarında yetiştirilen tüm bitkilerin toplam kök kütlesi, kısa gün koşullarına göre daha küçüktü (Şekil 3C). Genel olarak, kavanozların içindeki ve arasındaki büyümenin değişkenliği laboratuvarlar arasında düşüktü.
Cam kavanoz sistemi, çeşitli bitki türleri ve gelişim aşamaları ile uyumludur. Kök eksüda analizi için son nokta tipik olarak 21 gündür, çünkü deney koşullarımızda birçok bitki türü üreme aşamasına geçmeden önce olgun bir vejetatif aşamadadır (Şekil 4A-E). Bitkiler, kök sistemine gözle görülür bir zarar vermeden deney sisteminden kolayca çıkarılabilir. Bu nedenle, doku ağırlıklarının belirlenmesi veya aşağı akış analizi için dokuların kullanılması basittir. En yüksek sürgün ağırlıkları buğdayda bulunurken, bunu sorgum ve domates izlemiştir. En yüksek kök ağırlıkları sorgum için bulunurken, bunu buğday ve M. truncatola izledi. Kök:sürgün oranı türler arasında farklılık gösterir. Genel olarak, doku ağırlıkları 100 mg ile 800 mg arasında değişmiştir.
Kök eksüda toplamaya izin veren deneysel sistemlerin merkezi bir yönü, tanımlanmış bir ortamda bitki-mikrop etkileşimlerini incelemek için mikroplarla kontrollü aşılamadır. Sunulan deney sistemi, tekrarlanan manipülasyonla bile steril tutulabilir (Şekil 5'teki 'kontrol' koşuluna bakınız) ve bakteriler eklenebilir ve uzun süreler boyunca korunabilir. 33 günlük A. thaliana bitkileri OD600 0.004'te bir kommensal bakteri karışımı ile aşılandığında, bakteriler deneyin tam süresi olan 12 gün boyunca devam etti (Şekil 5). Koloni oluşturan birimler büyüme ortamında 100 kat arttı ve ayrıca kökleri kolonize etti (Şekil 5C). Aşılanmış bitkilerin fenotipleri, steril bitkilerinkinden ayırt edilemezdi (Şekil 5A,B).
Sunulan deneysel sistem, birçok deneysel koşulda eksüda toplanmasına izin verir. Burada, aynı bitkilerden amonyum asetat veya suda art arda toplanan A. thaliana Col-0'ın eksüdasyon profillerini sunuyoruz (Şekil 6A). Eksüdalar, analize kadar -80 °C'de saklandı, kök ağırlığına göre normalize edildi ve kütle spektrometrisi ile analiz edildi. Bitki içeren kavanoz örnekleri, deneysel kontrollere (bitkisiz kavanozlar) göre filtrelendi. 2.163 metabolitten 436'sı arka planın üzerinde bir sinyal gösterdi (% 20.16) ve analiz için tutuldu. Bunlardan, bileşiklerin 416 veya% 95'i, deney koşulları arasında belirgin bolluk gösterdi. Bununla birlikte, 26 metabolit herhangi bir bileşiğe atfedilemez ve bu nedenle tanımlanmamıştır. Çoğu metabolit (% 406 veya% 98) su ile toplanan eksüdalarda daha bol miktarda bulunur. Eksüdaların önce amonyum asetatta ve daha sonra suda art arda toplanması, metabolik sinyaller zamanla seyrelebileceğinden eksüdasyon profilini etkileyebilir. Bununla birlikte, ikinci bir zaman noktası olarak toplanan sudaki neredeyse tamamen daha yüksek eksüdasyon sinyali bu hipotezi desteklememektedir: Saf suda eksüda toplanması muhtemelen bitkiler için ozmotik bir şok yaratır, bu da büyüme çözeltisine eşmolar bir toplama çözücüsüne kıyasla metabolit bolluğunun artmasına neden olur (20 mM amonyum asetat, 0.5x MS ortamına eşmolardır). Her iki büyüme koşulunda tanımlanan bileşiklerin kimyasal sınıflarının araştırılması, bileşiklerin çoğunluğunun organik asitler ve türevleri (% 28.6), ardından organik oksijen bileşikleri (% 18), organoheterosiklik bileşikler (% 14.2) ve lipitler (% 13.2) olduğunu göstermiştir. Metabolitlerin sadece küçük bir alt kümesi fenilpropanoidlere ve poliketidlere (% 8.7) ve benzenoidlere (% 6) aittir. Organik azot bileşikleri, nükleositler, organosülfür bileşikleri, alkaloidler, lignanlar ve ilgili bileşikler, sınıflandırılan bileşiklerin %2 ila %0.5'ini temsil eder (Şekil 6B). Burada gösterilen metabolitlerin dağılımı, diğer kök eksüda toplama sistemleri24 kullanılarak önceden yayınlanmış verilere karşılık gelir.

Şekil 1: Cam kavanoz kurulumu. (A) Cam boncuklu kavanoz. (B) Otoklavlanmaya hazır cam boncuklu kavanoz. (C) Kavanozlardaki fideler (üstten görünüm). (D) 1,25 cm mikro gözenekli bantlı bir kavanozda (üstten görünüm) fideler. (E) 1,25 cm mikro gözenekli bantlı kavanozlarda (yandan görünüm) fideler. (F) 1,25 cm mikro gözenekli bant ve kapaklı kavanozlarda (yandan görünüm) fideler. (G) 1,25 cm mikro gözenekli bant, kapak ve 2,5 cm mikro gözenekli bant ile kavanozlarda (yandan görünüm) fidelerle kavanoz kurulumunu tamamlayın. (H) Kavanoz kurulumunu tamamlayın (üstten görünüm). (I) 21 günlük ve hasada hazır bitkiler (üstten görünüm). Kavanoz boyutu 147 mm yükseklik x 100 mm çap. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: Bir büyüme odasında 0.5x Murashige ve Skoog orta agar plakaları üzerinde yüzeyde sterilize edilmiş fideler. (A) Arabidopsis thaliana (6 günlük), (B) Brachypodium distachyon (6 günlük), (C) Medicago truncatula (6 günlük), (D) A. thaliana (18 günlük). Agar plaka boyutu 120 mm x 120 mm. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Kısa ve uzun gün ışık koşullarında kavanozlarda yetiştirilen Arabidopsis thaliana Col-0 bitkileri. (A) Kısa gün koşullarında (10 saat aydınlık/14 saat karanlık, 220 μmol m-2 s-1 ışık yoğunluğu, 21 °C gündüz/18 °C gece) yetiştirilen 33 günlük üç bitki içeren kavanoz ve (B) uzun gün koşullarında (16 saat aydınlık/8 saat karanlık) yetiştirilen beş adet 21 günlük bitki içeren kavanoz, 150-160 μmol m-2 s-1 ışık yoğunluğu, 22 °C gündüz/18 °C gece). (C) bir kavanozdaki tüm bitkilerin ve (D) tek bitkilerin kök ağırlığı. ** t-testinin anlamlılık değerlerini temsil eder (p < 0.05). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: Steril cam kavanoz sistemi kurulumunda 21. günde filogenetik olarak farklı beş tür. (A) Model monokot Brachypodium distachyon, (B) model baklagil Medicago truncatula, (C) dikot Solanum lycopersicum (domates), (D) dikot Sorgum bicolor, (E) monokot Triticum aestivum (buğday). (F) Cam kavanozlarda yetiştirilen türlerin köklerinin ve sürgünlerinin taze ağırlığı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: Arabidopsis thaliana Col-0 (33 günlük) kısa gün koşullarında yetiştirilir. (A) Steril bir kurulumda veya (B) 12 gün boyunca bir kommensal bakteri konsorsiyumu ile aşılanmıştır. (C) Büyüme substratının (solda) ve kökün (sağda) steril (kontrol) ve aşılanmış kavanozları için koloni oluşturan birimler. Steril kontrol koşulu için N = 4 kavanoz ve aşılanmış durum için n = 8 kavanoz. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 6: 21 günlük A. thaliana Col-0 için farklı kök eksüda profilleri. Eksüdalar, steril 20 mM amonyum asetat (pH 5.7) içinde 2 saat toplandı, ardından steril filtrelenmiş deiyonize suda 2 saat toplandı. Metabolitler, direkt enjeksiyon kullanılarak kütle spektrometresi ile tespit edildi. (A) Arka plan seviyesinin üzerinde tespit edilen 436 metabolitin temel bileşen analizi (bitkili kavanozların bitkisiz kavanozlarla karşılaştırılması). PC: açıklanan varyans miktarı ile ana bileşen. Mavi: su ile toplanan eksüdalar, sarı: amonyum asetat ile toplanan eksüdalar. (B) Üst sınıfa (https://cfb.fiehnlab.ucdavis.edu/) göre renklendirilmiş deney koşulları (Tukey testi) arasında önemli ölçüde farklı 416 metabolitin pasta grafiği. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| Tür | Tohum hazırlama | p etanolde geçen süre (dk) | Sodyum hipoklorit (NaClO) konsantrasyonu (h/h% ağartıcı) | Çamaşır suyunda geçen süre (dk) |
| Arabidopsis thaliana | | 15 | Hiç kimse; % 100 etanol | 15 |
| Brachypodium distachyon* | Dehusk | 0.5 | 6 | 5 |
| Medicago truncatula*a | | 30 | 6 | 30 |
| Solanum lycopersicum* | | 0.5 | 6 | 5 |
| Sorgum bicolor* | Dehusk | 0.5 | 6 | 30 |
| Triticum aestivum* | Dehusk | 0.5 | 12 | 20 |
Tablo 1: Birden fazla tür için yüzey tohumu sterilizasyon yöntemleri. * Etanol ve ağartıcı arasında ve sonunda filtrelenmiş deiyonize su ile 4-5 kez yıkanır; ağartıcıdan sonra 3-6 saat inkübasyon, her 30 dakikada birfiltrelenmiş deiyonize su ile değiştirilir.
| Tür | Kavanozlara gün | Bitki sayısı |
| Brakhipodium distakyon | 4 ila 5 | 3 |
| Sorgum bicolor | 4 ila 5 | 3 |
| Triticum aestivum | 4 ila 5 | 2 |
| Medicago truncatula | 5 ila 6 | 3 |
| Solanum lycopersicum | 7 ila 8 | 3 |
| Arabidopsis thaliana | 17 | 3 ila 5 |
Tablo 2: Fidanların kavanozlara transfer gün cinsinden yaşı ve çeşitli bitki türleri için kavanoz başına düşen bitki sayısı.