Het protocol hierin beschreven is een methode voor het meten van endoreduplicatie binnen knollen van de aardappel (Solanum tuberosum). Het omvat Plasmolyse en protoplast extractie stappen om te verminderen van het lawaai en puin in downstream flow cytometrische analyse.
Endoreduplicatie, de replicatie van de nucleaire genoom van een cel zonder latere cytokinese, cellen met verhoogde DNA-inhoud levert en is gekoppeld aan de specialisatie, ontwikkeling en verhoging van cellulaire grootte. In planten lijkt endoreduplicatie de groei en de uitbreiding van bepaalde weefsels en organen te vergemakkelijken. Onder hen is de knollen van de aardappel (Solanum tuberosum), die aanzienlijke cellulaire uitbreiding bij het vervullen van haar functie van koolhydraten opslag ondergaat. Endoreduplicatie kan dus een belangrijke rol in hoe knollen zijn geschikt voor deze overvloed aan koolstof spelen. Echter, de cellulaire puin als gevolg van ruwe nucleaire isolatie methoden van knollen, methoden die effectief kunnen worden gebruikt met bladeren, verzet zich tegen de schatting van de Knol endoreduplicatie index (EI). Dit artikel presenteert een techniek voor de beoordeling van de Knol endoreduplicatie door de isolatie van protoplasten terwijl demonstreren representatieve resultaten uit verschillende genotypen verkregen en gecompartimenteerd Knol weefsels. De belangrijkste beperkingen van het protocol zijn de kosten van het tijd- en reagens nodig zijn voor de bereiding van de monsters, evenals de relatief korte levensduur van monsters na lysis van protoplasten. Terwijl het protocol gevoelig voor technische variatie is, is het een verbetering ten opzichte traditionele methoden van nucleaire los van deze grote gespecialiseerde cellen. Mogelijkheden voor verbeteringen van het protocol zoals het recyclen van enzym, het gebruik van fixatives en andere wijzigingen zijn voorgesteld.
Endoreduplicatie is het proces waarbij een cel afziet van de typische celcyclus en in plaats daarvan een alternatieve cursus van ontwikkeling, bestaande uit herhaalde rondes van DNA-replicatie zonder cellulaire afdeling ondergaat. De resulterende cel zal zijn toegenomen DNA inhoud en nucleaire grootte die wordt beschouwd als een rol spelen in de cellulaire verordening, uitbreiding en specialisatie. In het algemeen, een ronde van endoreduplicatie (genoemd een endocycle) en de overeenkomstige toename van de DNA-inhoud zijn gekoppeld aan grotere cel volume, een waarneming die neergeslagen de ‘karyoplasmic theorie’ dat DNA inhoud toegenomen moet correct het regelen van een grotere, misschien meer complex en cel1. Dit verschijnsel is gebruikelijk in hogere planten, hebben waargenomen in een aantal weefsels, met inbegrip van die met structurele/defensief (schubben)2,3, voedend (maïs endosperm)4,5, en wastafel/opslag ( tomaat zilvervlies; knollen van de aardappel)6,7,8 functies. In groenten, is er gesuggereerd dat endoreduplicatie speelt een rol bij het vergemakkelijken van de snelle expansie van het zilvervlies worden veroorzaakt, zoals blijkt uit de negatieve relatie tussen endoreduplicatie en fruit developmental periode9. Bijvoorbeeld cellen met DNA inhoud tot 512C (512 keer het haploïde genoom) zijn waargenomen in de tomaat zilvervlies8. Bovendien Chevalier et al. (2014) aangetoond dat wijzigingen in de expressie van genen van de celcyclus tot toename van endoreduplicatie niveaus binnen het zilvervlies worden veroorzaakt die vervolgens resulteert in grotere vruchten10 leiden kunnen. Wijziging van genen bevordering van endoreduplicatie biedt dus een potentieel doelwit voor verbetering van biomassa of opbrengst door de plantenveredeling of genetische manipulatie. Zo’n verbetering is echter afhankelijk van een beter begrip van de oorzaken en gevolgen van endoreduplicatie.
Endoreduplicatie wordt meestal gemeten via stroom cytometry waarbij kernen, uitgebracht in ruwe weefsel preparaten11, worden geïncubeerd met een DNA-bindende fluorophore, zoals propidium jodide12 (PI). De gefilterde monsters worden vervolgens doorgegeven door de laser van een stroom cytometer waar emissie golflengten specifiek voor de fluorophore kunnen worden waargenomen. De intensiteit van de fluorescentie in elk geval (dat wil zeggen, nucleus) is direct gecorreleerd met de DNA-inhoud van het deeltje. Dus, door te vergelijken met een bekende norm, de relatieve en absolute DNA inhoud van cellen in een monster kan worden berekend. Endoreduplicatie indexcijfers (EI) worden bepaald door de oprichting van het gemiddeld aantal endocycles per cel binnen een steekproef door het observeren van cellulaire DNA inhoud (C-waarde) waar 1C is de DNA-inhoud van een haploïde cellen (de formule in stap 6.7 van het protocol gepresenteerd). Bijvoorbeeld, in een diploïde organisme is de basisinhoud van DNA van somatische cellen 2C. Als een monster weinig cellen met 4C heeft, een EI in de buurt van 0; zou hebben die overeenkomt met een ronde van endoreduplicatie of groter maar als bijna alle cellen 4C zijn zou het EI ongeveer 1. Zoals meerdere rondes van endoreduplicatie vaak voor bij hogere planten waargenomen EI waarden komen kunnen echter veel groter. Terwijl de berekening van indexcijfers van endoreduplicatie kan worden relatief eenvoudig, dat het vereist dat relatieve abundanties van kernen C-waarden betrouwbaar worden vastgesteld, die in bepaalde soorten en weefsels (inclusief aardappelknollen) is uitgesloten. Het is waarschijnlijk dat verschillen in cellulaire anatomie, chemie of celwand samenstelling13 deze monsters veroorzaken worden recalcitrante aan de typische bereidingen met behulp van een scheermesje vrij te geven van de kernen rechtstreeks in passende buffers die vaak worden gebruikt een model voor endoreduplicatie bestudeert met weefsels zoals tomaat zilvervlies,8.
In aardappel blijft het onderzoek van endoreduplicatie binnen de Knol beperkt tot slechts een paar studies, misschien gedeeltelijk te danken een gebrek aan een betrouwbaar protocol zoals de bovengenoemde ruwe voorbereidingen inconsistente resultaten opleveren. Terwijl een dergelijke aanpak goed voor bladeren die de Knol monsters ervaring ernstige aantasting en een overvloed aan lawaai in de vorm van puin werkt, differentiatie van pieken bestaat uit de kernen met verschillende C-waarden bijna onmogelijk maken. Dit is misschien te wijten aan verschillen in cellulaire samenstelling en een overvloed van cellulaire puin binnen Knol cellen (bv. amyloplasts zetmeel-slaan). Om te overwinnen deze hindernis, ontwikkelden we onlangs een betrouwbaarder protocol voor de verwerving van onderscheiden pieken in stroom cytometry aardappelknollen. De frequentie van cellen binnen elke piek kan vervolgens worden gebruikt voor de berekening van de nauwkeurige endoreduplicatie niveaus voor verschillende genotypen of verschillende weefsels die deel uitmaken van een Knol. Het protocol, dat maakt gebruik van een gemodificeerde protoplast extractie methode14,15 antecedent eerder beschreven stroom cytometry11, toonde aanzienlijke variatie binnen de familie van de aardappel, cultivars en weefsels16 . Hier presenteren we het protocol in detail door te evalueren van EI in de context van ploïdie, weefsel, en de grootte van de knollen.
Het protocol gepresenteerd hierin biedt onderzoekers met een middelen ter beoordeling van endoreduplicatie binnen aardappelknollen, waarvan gemodificeerde mobiele inhoud en grotere cel grootte schijnbaar beletsel voor andere stroom cytometry preparaten. Het protocol is gebaseerd op protoplast generatie als een middel ter vermindering van lawaai en puin met behoud van de nucleaire integriteit. Eerder, onderzoekers hebben dergelijke preparaten voor met name recalcitrante stroom cytometry monsters beschreven evenals gebruikt Knol protoplasten om te bestuderen van een verscheidenheid van onderwerpen zoals pathogenese19,20. Om onze kennis, hebben geen echter het gebruik van dergelijke Knol protoplasten gecombineerd met stroom cytometry met het oog op het bestuderen van endoreduplicatie. Bovendien vonden we het gebruik van protoplasten meer betrouwbaar dan typische ruwe preparaten alsmede de techniek gebruikt in de twee alleen andere studies om te beoordelen van de Knol endoreduplicatie6,7. Hier bespreken we de tekortkomingen van het protocol, de potentiële valkuilen in uitvoering en sample voorbereiding, en resultaten van een typisch experiment waarin het werkzaam.
Ondanks het nut en de herhaalbaarheid van de Knol stroom cytometry protocol, beschikt het over een paar zwakke punten die moeten worden besproken. Om te beginnen, is het protocol tijd intensief, waarbij twee nachtelijke incubations. Voorts vereist het protocol dat sommige dure reagentia, met name de cellulase en macerozyme. De voorbereidingen zijn bovendien zeer tijd-gevoelige, vernederende binnen een paar uur, die doorvoer binnen een enkele dag, beperken kunnen vooral als zijn vele evenementen gewenst. Tot slot, het protocol, terwijl betrouwbaar, is gevoelig voor fouten in de bereiding van de monsters die alle lijken te resulteren in schade aan de nuclei en lagere kwaliteitsresultaten. Microbiële besmetting kan zich bijvoorbeeld voordoen tijdens de Plasmolyse en protoplast generatie stappen (1-3.4) als gevolg van onjuiste aseptische techniek. Verontreiniging van de steekproef, terwijl niet altijd de uitschakeling van het succes van een steekproef, lijkt drastisch verminderen kwaliteit van verkregen histogrammen, opnieuw kunnen wegens schade aan de kernen.
Zoals eerder vermeld zijn de grote nadelen van het protocol kosten, tijd en gevoeligheid voor fouten. Onderzoekers desgewenst stappen te nemen om elk van deze verzachten. Wat betreft kosten, onderzoekers die voornemens is toe te passen van het protocol op vele monsters kunnen beschouwen de concentraties van het enzym en/of de duur van de spijsvertering stap wijzigen als verschillende weefsels en genotypen variëren in responsiviteit. Dit omvat de mogelijkheid van filtering en recycling van de ES die is eerder aangetoond maar niet werkzaam hier21. Wat betreft tijd, in onze waarneming, kan men afzien van de eerste incubatie (de Plasmolyse stap) en nog steeds pak protoplasten; echter, hun integriteit en overvloed zullen lijden, die een negatieve invloed resultaten. Ter vermindering van de achteruitgang van de monsters overwegen onderzoekers dat sommige benaderingen van stroom cytometry gekenmerkt door het gebruik van fixatives (bijvoorbeeld formaldehyde) voor het behoud van monster integriteit22. Dit kan zijn een nuttig middel om zowel achteruitgang en toestaan voor monster opslag in plaats van protoplast productiegoederen en stroom cytometry die plaatsvinden op dezelfde dag gepresenteerd. Een ander middel om te voorkomen dat het verloop van de kernen kunnen worden opgenomen van een inhibitor van de nuclease de ES en/of FBC; terwijl 2-mercaptoethanol geen merkbare veranderingen tijdens de ontwikkeling verricht, zijn andere remmers niet getest hierin.
In onze waarneming is de meest kritische stap stap 4.4, de verwijdering van alle Plasmolyse wassen oplossing vóór de toevoeging van de stroom cytometry buffer (FCB). Als zelfs een klein volume (< 10 µL) blijft, de monsters zijn veel meer kans te worden gedegradeerd die kunnen leiden tot een slecht of zelfs falend monster. Dit is waarschijnlijk te wijten aan onzuiverheden in de oplossing van het enzym (b.v. nucleasen, proteasen)23,24 , die snel verslechteren de kernen tijdens de incubatie perioden en de tijd tussen monster runs, zelfs bij lage concentraties. Een andere belangrijke overweging is de duur van de PI en RNase incubatie stappen. Zoals opgemerkt in het protocol, blijven de monsters niet stabiel voor meer dan een paar uur na toevoeging van de FCB zodat onderzoekers beslissen kunnen om de duur van deze stappen om meer monsters of lange stroom cytometry loopt als gevolg van lage kernen concentraties. Dit vereist ook de onderzoeker te overwegen de afweging tussen het aantal gebeurtenissen per monster en het totale aantal monsters worden uitgevoerd of overwegen het gebruik van fixatives zoals eerder genoemd.
Verschillen tussen weefsels en genotypen
Om de vertegenwoordiger van de resultaten van het protocol ontworpen we twee eenvoudige experimenten bevestigen eerder gemelde variatie door weefsel te onderzoeken van de invloed van ploïdie en genotype. De resultaten van het weefsel experiment tonen aan dat het protocol reproduceerbare resultaten levert, zoals merg weefsel bleek eens te meer dat de hoogste EI. Enigszins verrassend parenchym weefsel, dat had niet eerder geëvalueerd, had een waarde van het EI vergelijkbaar met corticale weefsel en aanzienlijk lager is dan het merg. Dit was een onverwachte zoals parenchym cellen meestal groter dan merg of corticale cellen, ten minste op de vervaldag zijn. Een mogelijke verklaring is dat de knollen (90-130 g) ook onrijpe voor de parenchym-cellen, die de meerderheid van de Knol volume op de vervaldag waren, volledig uitgebreid en bereiken hun maximale C-waarden25omvatten. Dit kan ook verklaren waarom de dihaploid (VT_SUP_19) en de verdubbelde dihaploid (VT_SUP_19 4 x) blijkt significant groter EI dan cv. superieure knollen; terwijl de knollen van ongeveer gelijke grootte werden bemonsterd van elk genotype, is de maximale grootte van de knollen uit VT_SUP_19 of de isogene tetraploïde veel kleiner dan die van de voorvader. Dus het kan zijn dat ze meer EI gewoon weergegeven omdat ze groter ten opzichte van hun maximumgrootte haalbaar waren. Anderzijds mag het verschil, een gevolg van de genetische aanvulling die vt_sup_19 haar tetraploïde voorlopercellen ontvangen. Een andere mogelijkheid is dat de genomic vermindering die plaatsvond op de winning van de dihaploid van de tetraploïde schadelijke allelen resulterend in plant-wide stress, dat is ook aangetoond bij te dragen tot verhoogde EI26ontmaskerd kan hebben. Niettemin, hieruit blijkt dat de onderzoekers zorgvuldige afweging moeten aanwenden bij het selecteren van de knollen en weefsels moet worden gebruikt voor de vergelijking van de EI-waarden, met name tussen genotypen.
Toekomstige toepassingen
Voorziet het protocol in dit artikel beschreven onderzoekers met een belangrijk begrip endoreduplicatie in aardappel. Het kan toestaan voor studies naar de genetische en omgevingsfactoren componenten van endoreduplicatie, het tijdsverloop van de ontwikkelingsniveaus van de Knol weefsels, en beoordeling van natuurlijke variatie. Endoreduplicatie kan uiteindelijk een veelbelovende doelwit voor aardappel verbetering, een onderneming waarvoor een betrouwbare middelen van beoordeling zal maken.
The authors have nothing to disclose.
Dit onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation Award nummer 1237969, “Het ontrafelen van de heterozygoten, allèlique samenstelling en kopie nummer variatie van aardappel” en USDA speciale subsidie 2014-34141-22266 (Universiteit van Maine) naar RV.
Serological pipette | Fisher | 13-676-10k | (sterile) |
Pipet Aid XP (autopipettor) | Drummond Scientific | 4-000-101 | |
Conical tubes (50 ml) | Thermo Fisher Scientific | 339652 | (sterile) |
Microcentrifuge tubes (1.5 ml) | Globe Scientific | 111558 | |
Microcentrifuge tubes (2 ml) | Globe Scientific | 111552 | |
Vacuum filtration unit (0.22µm)(aPES) | Thermo Fisher Scientific | 564-0020 | (sterile) |
Vacuum filtration unit (0.45µm)(aPES) | Thermo Fisher Scientific | 168-0045 | (sterile) |
Cellulase "Onozuka R-10" | Yakult | contact company | |
Macerozyme "Onozuka R-10" | Yakult | contact company | |
Hemicellulase | Sigma | H2125 | |
Tris base | Fisher Scientific | BP152-1 | |
MES buffer | Acros Organics | 172590250 | |
Triton X-100 | MP Biochemicals | 194854 | |
Magnesium Chloride (hexahydrate) | Fisher Scientific | M35-500 | |
Calcium Chloride (dihydrate) | Fisher Scientific | C79-500 | |
D-Mannitol | Acros Organics | 423922500 | |
MOPS | Acros Organics | 17263-0250 | |
Potassium Phosphate (monobasic, anhydrous) | Sigma-Aldrich | P-5379 | |
Propidium iodide | Sigma-Aldrich | P4170 | For flow cytometry preparations |
Ribonuclease A | Sigma-Aldrich | R5000 | For flow cytometry preparations |
Cork borers with punch | American Scientific | 2093-02 | For smapling desired tissue |
Forceps | Thermo Fisher Scientific | 16-31 | For smapling desired tissue |
Scalpel | Thermo Fisher Scientific | 08-920B | For smapling desired tissue |
106um stainless steel mesh or other seive of same pore size | New Jersey Wire Mesh Co. | contact company |