التصوير مورفولوجيا الجذر الشعر شتلات نبات في منصة موائع جزيئية طبقتين
Summary
يوضح هذا المقالة كيفية الثقافة شتلات نبات التمويل في منصة طبقتين موائع جزيئية أن يحصر الجذر الرئيسي والشعر الجذر لطائرة بصري واحد. يمكن استخدام هذا البرنامج للتصوير الضوئي في الوقت الحقيقي مورفولوجيا الجذر غرامة كذلك أما بالنسبة للتصوير عالي الدقة بوسائل أخرى.
Abstract
زيادة الشعر الجذر جذر المساحة السطحية لامتصاص المياه أفضل وامتصاص العناصر الغذائية بالنبات. لأنها صغيرة الحجم وغالباً ما تحجب ببيئتهم الطبيعية، مورفولوجيا الجذر الشعر والدالة صعبة لدراسة وغالباً مستبعدة من بحوث النبات. في السنوات الأخيرة، عرضت منصات موائع جزيئية طريقة لتصور نظم الجذور بدقة عالية دون إزعاج الجذور أثناء نقلها إلى نظام تصوير. قدم منصة موائع جزيئية هنا يبني على البحوث النباتية على رقاقة السابقة بإدراج جهاز طبقتين حصر جذر نبات التمويل الرئيسي لنفس الطائرة الضوئية كجذر الشعر. يتيح هذا التصميم للتحديد الكمي للشعر الجذر على هاتف خلوي وعضيه المستوى وأيضا يمنع محور ع الانجراف أثناء إضافة علاجات تجريبية. ونحن تصف كيفية تخزين الأجهزة في بيئة الواردة ورطب، دون الحاجة لمضخات فلويديك، مع الحفاظ على بيئة جنوتوبيوتيك للشتلات. بعد تجربة التصوير الضوئي، يمكن تفكيكها الجهاز والمستخدمة كركيزة للقوة الذرية أو المسح الضوئي المجهر الإلكتروني مع الحفاظ على هياكل الجذر غرامة سليمة.
Introduction
ميزات الجذر غرامة زيادة المياه واقتناء المواد المغذية للنبات، استكشاف مساحات جديدة من التربة وزيادة مساحة السطح الجذر مجموع. دوران هذه الميزات الجذر غرامة يلعب دوراً رئيسيا في تنشيط السلسلة الغذائية تحت الأرض1 وعدد جذور غرامة في بعض الأنواع النباتية من المتوقع أن يتضاعف تحت مرتفعة من ثاني أكسيد الكربون الجوي2. جذور غرامة عموما تعرف بأنها تلك أصغر من 2 مم في القطر، وعلى الرغم من أن تعريفات جديدة للدعوة لوصف جذور غرامة على الدالة3. مثل العديد من جذور غرامة، توفير وظيفة امتصاص واستيعاب جذر الشعر لكن تحتل مساحة أصغر من ذلك بكثير مع أقطار يقارب ميكرون. بسبب صغر حجمها، يصعب على الصورة في الموقع الشعر الجذر وكثيراً ما يتم التغاضي عنها كجزء من بنية الجذرية الشاملة في تجارب على المستوى الميداني والنماذج.
الدراسات، مثل اعتبارا من الشتلات المزروعة في لوحات أجار السابقين تيرا جذر الشعر، قدمت الأوساط العلمية بمعلومات قيمة عن النمو الخلوي والنقل4،5. بينما لوحات أجار تسمح أنظمة الجذر تصويرها غير المدمر وفي الوقت الحقيقي، أنها لا توفر الرقابة البيئية العالية لإضافة علاجات تجريبية مثل المواد الغذائية، والهرمونات النباتية، أو البكتيريا. وقد حلاً ناشئة لتسهيل التصوير عالية الدقة مع إتاحة مراقبة البيئة الحيوية أيضا ظهور منصات موائع جزيئية للدراسات النباتية. ومكنت هذه المنصات بالنمو غير المدمرة والتصور للعديد من الأنواع النباتية للإنتاجية العالية phenotyping6،7،،من89، العلاجات الكيميائية المعزولة 10وقوة القياسات11،12، وإضافة الكائنات الدقيقة13. تصاميم منصة موائع جزيئية تركز على استخدام طبقات فلويديك مساحة مفتوحة واحدة التي قد تنتشر الجذور، السماح للشعر الجذر الانجراف داخل وخارج التركيز البصري أثناء النمو أو العلاج.
نقدم هنا إجراء لتطوير منصة طبقتين موائع جزيئية باستخدام صور وأساليب الطباعة الحجرية الناعمة أن يبني على التصاميم النباتية على رقاقة السابقة بقصره الشعر الجذر الشتلات على نفس الطائرة التصوير كالجذر الرئيسي. وهذا يسمح لنا بتتبع التنمية الشعر الجذر في الوقت الحقيقي، بدقة عالية، وفي جميع مراحل عملية العلاج التجريبي. تسمح أساليب عملنا وتثقيف شتلات نبات التمويل أن نامي من البذور ضمن المنهاج ومثقف لتصل إلى أسبوع في محيط رطب والعقيمة التي لا تتطلب استخدام معدات الحقن مضخة. مرة واحدة وخلص الوقت الفاصل بين التصوير التجربة، يمكن فتح النظام الأساسي المعروض هنا دون الإخلال بموقف السمات الجذرية الدقيقة. وهذا يسمح باستخدام أساليب التصوير الأخرى عالية الدقة. هنا نقدم نتائج تمثيلية للقياس الكمي والتصور مورفولوجيا الجذر الشعر في هذا النظام الأساسي من المسح الضوئي، والمجهر الإلكتروني (SEM)، والقوة الذرية تقنيات الفحص المجهري (فؤاد).
Protocol
Representative Results
Discussion
الطريقة الموضحة في هذه المقالة لإنشاء منصة معمل على رقاقة فريدة من نوعها في هذا التصميم طبقتين حدود قد فككت الشعر الجذر إلى طائرة واحدة تابعة لتصوير والمنهاج والمستخدمة كركيزة للتصوير غير الضوئية عالية الدقة . استخدام التصوير غير الضوئية عالية الدقة يمكن أن توفر معلومات قيمة عن الأنسجة ا…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذه المخطوطة وقد تم تأليف UT-Battelle، شركة ذات مسؤولية محدودة تحت “رقم العقد” دي-AC05-00OR22725 مع وزارة الطاقة في الولايات المتحدة. وتحتفظ “حكومة الولايات المتحدة” والناشر، بقبول المادة للنشر، تعترف بأن “حكومة الولايات المتحدة” يحتفظ بترخيص غير حصري، المدفوع، ولا رجعة فيه، على نطاق العالم لنشر أو استنساخ النموذج المنشور من هذه المخطوطة، أو السماح للآخرين بالقيام بذلك، لأغراض “حكومة الولايات المتحدة”. إدارة الطاقة سيوفر إمكانية وصول الجمهور إلى نتائج هذه البحوث التي ترعاها الحكومة الاتحادية وفقا “خطة وصول الجمهور” الفلاني (http://energy.gov/downloads/doe-public-access-plan).
بتأييد هذا العمل جزئيا ببرنامج علوم الجينوم، ووزارة الطاقة في الولايات المتحدة، ومكتب العلوم والبيولوجية والبحوث البيئية، كجزء من “مصنع ميكروب الواجهات العلمية مجال التركيز” (http://pmi.ornl.gov). تصنيع منصات موائع جزيئية أجريت في “مختبر أبحاث النانومترى” في المركز “علوم المواد نانوفاسي”، وهو “منشأة” الكيان التشغيلي المعين للمستخدم مكتب العلوم. جا مدعومة زمالة أبحاث الدراسات عليا NSF تأيين-1452154
Materials
| Silicon Wafer | WRS Materials | 100mm diameter, 500-550um thickness, Prime, 10-20 resistivity, N/Phos<100> | |
| Quintel Contact Aligner | Neutronix Quintel Corp | NXQ 7500 Mask Aligner | |
| Fluorescent Microscope | Nikon | Eclipse Ti-U | |
| laboratory tissue | Kimberly Clark | Kimwipe KIMTECH SCIENCE Brand, 34155 | |
| Negative Photoresist Epoxy | Microchem | SU-8 2000s series | |
| Photoresist developer | Microchem | Su-8 developer | |
| trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluoro-octyl)silane | Sigma Aldrich | use in chemical hood | |
| Air Plasma Cleaner | Harrick Plasma | ||
| PDMS | Dow Corning | Sylgard 184 Silicone elastomer base | |
| PDMS curing agent | Dow Corning | Sylgard 184 Silicone elastomer curing agent | |
| Dessicator | Bel-Art | F42010-000 | |
| Scalpel | X-acto knife | ||
| Biopsy Punch | Ted Pella | 15110-15 | |
| Adhesive tape | Staples | Invisible Tape | |
| Microfuge tube | Eppendorf | ||
| Triton X | J.T.Baker XI98-07 | ||
| Bleach | Chlorox | concentrated | |
| Plant-Based Media | Phyto Technology Laboratories | M524 | |
| Agar | Teknova | A7777 | |
| Wax film | Parafilm | ||
| microscope | Olympus | IX51 | |
| Atomic Force Microscope | Keysight Technologies | 5500 PicoPlus AFM | |
| Petri dish | VWR | ||
| Scanning Electron Microscope | JEOL | 7400 | |
| Dual Gun Electron Beam Evaporator | Thermionics | Custom Dual Electron Gun Evaporation System |
References
- Pritchard, S. G. Soil organisms and global climate change. Plant Pathol. 60 (1), 82-99 (2011).
- Norby, R. J., Ledford, J., Reilly, C. D., Miller, N. E., O’Neill, E. G. Fine-root production dominates response of a deciduous forest to atmospheric CO2 enrichment. Proc. Natll. Acad. Sci. USA. 101 (26), 9689-9693 (2004).
- McCormack, M. L., et al. Redefining fine roots improves understanding of below-ground contributions to terrestrial biosphere processes. New Phytol. 207 (3), 505-518 (2015).
- Mangano, S., Juarez, S. P. D., Estevez, J. M. ROS regulation of polar-growth in plant cells. Plant Physiol. 171 (3), 1593-1605 (2016).
- Ketelaar, T., Emons, A. M. The Actin Cytoskeleton in Root Hairs: A Cell Elongation Device. Root Hairs. , 211-232 (2009).
- Grossmann, G., et al. The RootChip: an integrated microfluidic chip for plant science. Plant Cell. 23 (12), 4234-4240 (2011).
- Grossmann, G., et al. Time-lapse fluorescence imaging of Arabidopsis root growth with rapid manipulation of the root environment using the RootChip. J. Vis. Exp. (65), (2012).
- Jiang, H., Xu, Z., Aluru, M. R., Dong, L. Plant chip for high-throughput phenotyping of Arabidopsis. Lab Chip. 14 (7), 1281 (2014).
- Busch, W., et al. A microfluidic device and computational platform for high-throughput live imaging of gene expression. Nat. Methods. 9 (11), (2012).
- Meier, M., Lucchettta, E., Ismagilov, R. Chemical Stimulation of the Arabidopsis thaliana Root using Multi-Laminar Flow on a Microfluidic Chip. Lab Chip. 10 (16), 2147-2153 (2010).
- Ozoe, K., Hida, H., Kanno, I., Higashiyama, T., Notaguchi, M. Early characterization method of plant root adaptability to soil environments. Proc. of 28th IEEE Interntl. Conf. Micro. Electro Mech. Syst. , (2015).
- Sanati Nezhad, A. Microfluidic platforms for plant cells studies. Lab on a chip. , 3262-3274 (2014).
- Parashar, A., Pandey, S. Plant-in-chip: Microfluidic system for studying root growth and pathogenic interactions in Arabidopsis. App. Phys. Lett. 98 (26), 2009-2012 (2011).
- Rigas, S., et al. Root gravitropism and root hair development constitute coupled developmental responses regulated by auxin homeostasis in the Arabidopsis root apex. New Phytolol. 197 (4), 1130-1141 (2013).
- Bengough, A. G., McKenzie, B. M., Hallett, P. D., Valentine, T. A. Root elongation, water stress, and mechanical impedance: A review of limiting stresses and beneficial root tip traits. J. Exp. Bot. 62 (1), 59-68 (2011).
- Sia, S. K., Whitesides, G. M. Microfluidic devices fabricated in poly(dimethylsiloxane) for biological studies. Electrophor. 24 (21), 3563-3576 (2003).
- Millet, L. J., Stewart, M. E., Sweedler, J. V., Nuzzo, R. G., Gillette, M. U. Microfluidic devices for culturing primary mammalian neurons at low densities. Lab chip. 7 (8), 987-994 (2007).
- Nelson, B. K., Cai, X., Nebenführ, A. A multicolored set of in vivo organelle markers for co-localization studies in Arabidopsis and other plants. Plant J. 51 (6), 1126-1136 (2007).
- Talbot, M. J., White, R. G. Cell surface and cell outline imaging in plant tissues using the backscattered electron detector in a variable pressure scanning electron microscope. Plant Methods. 9 (1), 40 (2013).
