Bir model tesisi Arabidopsis thaliana Thigmomorphogenesis çalışması Için bir işgücü tasarrufu ve tekrarlanabilen dokunma-Force sinyalizasyon mutant ekran Protokolü
6 Ağustos 2019
Nazik bir dokunma kuvveti yükleme makinesi insan saç fırçaları, robotik kollar ve bir kumandanın inşa edilmiştir. Saç fırçaları makineye monte edilen robotik kollar tarafından tahrik edilir ve bitkiler üzerinde dokunmatik kuvvet uygulamak için periyodik olarak hareket ederler. Makine odaklı saç dokunuşlarının gücü, manuel olarak uygulanan dokunuşlarla karşılaştırılabilir.
Bitki sinyal morfogenezigözlemlemek için otomatik bir dokunmatik kuvvet makinesi inşa. Bitkilere nazik dokunma kuvveti uygulamak için insan saç fırçalarıyla kurduğum robotik kollar. Insan parmak dokunmatik ile karşılaştırıldığında, otomatik insan saç dokunmatik makine daha fazla emek tasarrufu, tek tip bir dokunmatik kuvvet yükleme sunabilir.
Bir tur kuvvet yüklemesi için gereken süre birkaç dakika içinde kısıtlanabilir. Parmak dokunuşu ve pamuklu bez dokunuşuyla karşılaştırıldığında, robotik makine büyük ölçüde bitki ticari tepki araştırmasını geliştirebilir. Arıtılmış bitkilerin verimliliğini ve popülasyonunu artırarak, otomatik dokunmatik makinenin dört sinyalmutant ekranda ve hem bitkilerde hem de hayvanlarda ticari tepki çalışmalarında uygulanacağını öngörüyoruz.
Başlamak için, yedi gün boyunca MS orta ile% 8 agar plaka üzerinde tohum besledikten sonra her genotip çimlenme oranını test edin. Çimlenme oranına göre, tohumları üretilecek bitki sayısının 4-5 katı kadar hazırlayın. 1,5 mililitrelik plastik tüpler soğuk suya tohumları batırın ve karanlıkta tutmak için alüminyum folyo ile kaplayın.
Tohum imbibition için dört derece santigrat de saklayın. Imbibition beş ila yedi gün sonra, bitki büyümesi için uygun toprak seçin. Büyük kümeleri kaçının ve homojen bir şekilde karıştırmak için bir çatal kullanın.
7.4 santimetre üst jant çapı ile 24 207 mililitre plastik bardak hazırlayın. Sulama amaçlı bardakların altında üç yuvarlak delik delin. Karışık toprak ile bu plastik bardak doldurun.
Toprak fincan kenarı yaklaşık bir santimetre daha yüksek kazık ve yumuşak yığılmış toprak yüzeyini düzleştirmek için bir cetvel kullanın. 24 bardağı plastik bir tepsiye aktarın. Bitkilerin hızlı büyümesi için fotosentetik aktif radyasyondan daha yüksek olan, metrekare başına saniyede 180 ile 240 mikroeinstein arasındaki büyüme odasının ışık yoğunluğunu ayarlayın.
Işık durumunu 24 saat sabit olacak şekilde ayarlayın. Büyüme odasının sıcaklığını 23,5 artı veya eksi 1,5 santigrat derece olarak ayarlayın ve nem %35 ile %45 arasında her tepsiye 2,5 litre su ekleyin. Toprak bardak altında bulunan deliklerden su absorbe ve bardak jant seviyesine düşmesi için toprak yüzeyine bekleyin.
İki saat sonra, tek bir noktaya üç ila dört tohum ve bir fincan içinde dört eşit dağılmış noktalar ekin. Her tepsinin üzerine şeffaf bir plastik kapak yerleştirin ve tohumları bir hafta boyunca çimlenmesağlar. Sonra, kapağı çıkarın ve fideler bir hafta daha büyümeye izin.
Tohumlar çimlandıktan sonra her gün 1,5 litre su ile bitkileri sulayın. Tohum ekiminden 9 ila 10 gün sonra, incelterek ekstra sürgünler çıkarın. Oluklar kesmek ve doğrudan topraktan tüm bitki çekerek önlemek için küçük makas kullanın.
Her fincan benzer büyüklükte üç ila dört bitki bireyler. Robot kollarıüzerine dokunmatik saç fırçaları yüklemek için, ilk 330 milimetre uzunluğunda çelik cetvel üzerine eşit insan saç bir tabaka düzeltmek için tutkal kullanın. Saçın uzunluğu 126 milimetredir.
İki metal kelepçeyle, bu çelik cetvelleri robot kollarına takın. Kontrol panelinde, robot kollarını ve fırçaları düşürmek için Jog F artı tuşuna basarak makine kollarının yüksekliğini dikey boyut boyunca ayarlayın ve Jog R eksisini yükseltin. Saç fırçalarının ucunu bardak kenarından 5 santimetre daha aşağıda tutun.
Tüm bitki bireylerin dokunulmadığından emin olmak için makineyi bir ila iki döngü önceden çalıştırmak için Inc F artı veya R eksi tuşuna basın. Resmi deneyden önce, dokunma kuvvetini ölçmek için elektronik bir ölçek kullanın. Bir ila iki milinewton arasındaki dokunma kuvvetini korumak için makine kollarının yüksekliğini ayarlayın.
Daha sonra, makine kollarının başlangıç konumunu yatay boyut boyunca manuel olarak ayarlayın. Saç fırçalarının her tepsinin kenarına asmasını bekleyin. Dokunma denemesi başlamadan önce hiçbir bitkiye dokunulmadığından emin olmak için makine kolunu yavaş yavaş yatay olarak hareket ettirmek için Jog F plus veya Jog R eksi tuşuna basın.
Yatay boyuttaki saç fırçasını seyahat düğmesine basarak 365 milimetreye ayarlayın. Tam bir seyahat mesafesi elde etmek ve tedavi edilen tüm bitkilere dokunulmasını sağlamak için makine kollarını hareket ettirmek için Inc F plus veya R eksi tuşuna basın. Ardından, makine kollarının x ekseni boyunca hareket hızını dakikada 5000 milimetre olarak ayarlamak için otomatik hız düğmesine basın.
Yuvarlak başına 40 dokunuşa eşit 20 denemede dokunma süresini ayarlamak için küçük döngü düğmesine basın. Saç fırçalarının sekiz saatlik bir aralıkla günde üç tur boyunca bitkilere dokunmasını sağlayan ana periyot düğmesine basarak dokunma turunun tekrarlama aralığını günde 480 dakika olarak ayarlayın. Geri sayım sıfıra döndüğünde makine otomatik olarak yeni bir dokunma turu başlatacaktır.
Makinenin dört günlük bir süre içinde 12 tur boyunca bitkilere dokunmasını sağlamak için büyük döngüyü 12 denemede ayarlayın. Önceden ayarlanmış programı başlatmak için başlat düğmesine basın. Fırçaları ve saç uçlarını dokunma süresi boyunca her gün aynı yüksekliğe ayarlayın ve kalibre edin.
Dokunaklı bir deney içinde her bitkinin cıvata gün izlemek için, her bitkinin ilk çiçekli kök her gün gözlemleyin. Uzunluğu ölçün ve bir santimetreye ulaştığında büyüme süresini kaydedin, yani bitkisel fazdan üreme aşamasına geçti. Rozet yarıçapı ölçüsü, üstten tüm tepsinin fotoğraflarını çekmek.
Rozet merkezinden en uzun yaprağın ucuna olan mesafeyi ölçmek için bir görüntü işleme yazılımı kullanın. Rozet alanını ölçmek için, öncelikle, rozet organlarının geri kalanını etkilemeden çiçeklenmeyi çıkarın. Yakındaki bir ölçek cetveli ile birlikte her bitkinin üstünden fotoğraf çekin.
Görüntü işleme yazılımında, rozet yapraklarının yatay iki boyutlu yüzey alanını ölçün. Bu deneyde pamuklu bez manuel dokunma tedavisi vahşi tip kontrol Columbia sıfır bitkilerde makine tahrikli saç dokunmatik tedavi ile karşılaştırıldı. Cıvata, sürekli pamuklu bez dokunma işlemlerinden 1,7 gün sonra gecikti.
Benzer şekilde otomatik makine tahrikli saç dokunuşu için de gecikmeli cıvata lama gözlenmiştir. Tek değişkenli Cox tehlike analizi, dokunma grubundaki bitkilerin cıvata lama riskinin kontrol grubundaki bitkilerle karşılaştırıldığında sırasıyla %31 ve %52 olduğunu göstermektedir. Ancak bu cıvata gecikmesi tDNA ekleme mutantları, NKK bir ve NKK iki de gözlenmedi.
Tek değişkenli Cox orantılı tehlikeler modeli sadece vahşi tip Columbia sıfır kontrol ve dokunmatik bitkiler arasında önemli bir fark sergiledi gösterir tahmini HR ile 41. Morfolojik değişiklikler için, vahşi tip Columbia sıfır bitki sabit ve tekrarlayan otomatik makine tahrikli saç dokunmatik üç gün sonra önemli ölçüde daha küçük rozet yarıçapı ve kısa yaprak uzunluğu gösterdi. Öngörülen rozet alanı 13 günlük temastan sonra 20 santimetre kareden 16 santimetre ye değiştirildi.
Dokunma kuvvetinin yüklenmesinin yaralanmaya yol açmayacağından emin olmak için uygun dokunma kuvvetinin dikkatli bir şekilde ayarlanması gerekir. Dokunmatik yanıt tartışımı için uygun bir Arabidopsis bitkisi üretmek için uygun büyüme koşulları gereklidir. Örneğin, sinyal morfogenezi gözlemlemek için saniyede metrekare başına 180 ile 240 mikroeinstein arasında 24 saatlik ışık yoğunluğu gereklidir.
Mekanik kuvvet yükleme diğer formları genişletmek için, makine de su serpinti meme veya rüzgar üfleyiciler yağmur veya rüzgar efektleri taklit etmek için değiştirilebilir, gelecekte sırasıyla.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu çalışma, bitki sinyal morfogenezisini araştırmak için insan saç fırçaları ve robotik kollar kullanan otomatik bir dokunma-kuvvet yükleme makinesi sunmaktadır. Cihaz, bitkilere tek tip dokunma kuvveti uygulamasını sağlayarak, manuel yöntemlere göre verimliliği önemli ölçüde artırmaktadır.
Çalışmanın Ana Bileşenleri
Araştırma Alanı
- Bitki sinyal ve tepkisi
- Biyolojik araştırmalarda otomasyon
- Etkili bitki tedavi metodolojileri
Arka Plan
- Bitkilere dokunma kuvvetleri uygulamak için geleneksel yöntemler işçilik gerektirici ve zaman alıcıdır.
- Robotik sistemlerin geliştirilmesi deneysel tutarlılığı ve hızı artırabilir.
- Bu çalışma, mekanik uyaranlara bitki tepkilerini otomasyon aracılığıyla geliştirmeyi amaçlamaktadır.
Kullanılan Yöntemler
- İnsan saç fırçaları ile tutarlı kuvvet uygulama için robotik bir dokunma-kuvvet makinesinin geliştirilmesi.
- Arabidopsis bitkileri üzerinde gelişim aşamalarında yapılan araştırma.
- Teknolojik yaklaşımlar arasında otomatik dokunma döngüleri ve kontrollü çevresel koşullar bulunmaktadır.
Ana Sonuçlar
- Otomatik sistem, manuel uygulamaya karşılaştırılabilir dokunma kuvvetleri sağlamaktadır.
- Hem tedavi süresinde hem de bitki tepki popülasyonlarında verimlilik artışı kaydedilmiştir.
- Başarılı uygulama, sinyal mutant ekranlarında daha geniş uygulama potansiyeli göstermiştir.
Sonuçlar
- Bu çalışma, bitki fizyolojisi araştırmalarında robotik otomasyonun etkinliğini vurgulamaktadır.
- Bulgular, mekanize dokunmanın araştırma süreçlerini önemli ölçüde hızlandırabileceğini ve genetik ve sinyal çalışmalarına yardımcı olabileceğini göstermektedir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Automated mechanical stimulation platforms address bottlenecks in phenotypic screening for mechanotransduction pathways, enabling higher throughput and reproducibility in target validation studies. By reducing labor-intensive manual force application, the method supports scalable assessment of genetic mutants in mechanosensitive signaling networks. This positions the technology as a enabling tool for early discovery workflows focused on force-sensing mechanisms in model systems.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of touch-force signaling mutants such as MKK1 and MKK2 to clarify mechanistic roles in mechanotransduction.
- Operational Value: Provides repeatable, quantifiable touch-force application reducing variability from manual handling.
- Predictive Value: Supports phenotypic comparison of wild-type and mutant lines under standardized mechanical stress to de-risk target hypotheses.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantifiable morphological outputs (e.g., rosette radius, bolting timing) for high-content phenotypic screening.
- Operational Value: Allows unlimited touch rounds with adjustable force strength, enabling dose-response-like experimental designs.
- Assay Readiness: Compatible with alternative touch materials (e.g., animal hair, silk) and environmental simulators (rain, wind) for assay flexibility.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Links molecular mutants to organism-level phenotypic changes under mechanical stress, supporting pathway validation.
- Mechanistic De-risking: Enables statistical evaluation of touch response differences between genotypes, informing target confidence.
- Model Relevance: Uses Arabidopsis thaliana as a genetically tractable system to study conserved mechanosensitive signaling principles.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery pipelines by providing a standardized mechanical stimulus for phenotypic screening of signaling mutants prior to lead identification efforts.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of kinase-dependent touch signaling pathways through controlled force application and phenotypic readouts.
- Screening: Enables reproducible, high-throughput touch-force delivery for mutant screening campaigns with measurable growth and developmental outputs.
- Analytics: Facilitates quantitative measurement of bolting delay, rosette area, and leaf length for statistical comparison across genotypes.
- Translational Research: Connects molecular phenotypes (e.g., MKK1/MKK2 mutants) to whole-plant mechanomorphogenic responses, supporting target validation.
- Enterprise Reuse: Platform design allows adaptation to other mechanical stimuli (wind, rain) and model systems, supporting cross-project utility.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in force-sensing pathways through standardized, repeatable phenotypic assays.
- Operational Value: Increases experimental throughput by reducing touch-force application time from hours to minutes per round.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision confidence in target validation by minimizing false positives from manual force variability.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of mechanosensitive targets based on reproducible phenotypic outcomes.
Implementation Considerations
- Requires expertise in plant growth conditions, mechanical stimulation protocols, and image-based phenotyping.
- Needs robotic arm system, custom touch-material fixtures, and environmental control chambers for reproducible results.
- Demands standardization of touch force (1–2 mN), timing intervals, and environmental conditions across users and sites.
- Adaptation considerations include exchanging touch materials (hair, silk, cotton) and adding nozzles for rain/wind simulation.
- Practical limitations include dependency on consistent plant size and developmental stage for comparable touch response measurements.
