植物性の水溶性タンパク質と消化性炭水化物含量の手本として使用してトウモロコシ (トウモロコシ) の定量化
Summary
記載プロトコルは、可溶性タンパク質と糖質 (非構造) 植物組織の内容を測定するための明確かつ親しみやすい方法論を提供します。これらの 2 つの植物栄養素を定量化することで、植物生理学、栄養生態学、植物-植食者の相互作用、食物網の生態学の分野に大きな影響を与えます。
Abstract
基本的なデータは、リソースとして草食動物に植物の品質を推測する使用されます。ただし、生体分子の炭素の普及、含窒素植物防御物質、窒素あるいは植物たんぱくすべての種特異的な相関の変化の存在は、これらの推論の精度を制限します。さらに、植物に焦点を当てた研究や草食動物生理学レベルを使用して効果が得られない精度の一般化相関関係を必要とします。紹介した方法は、研究者の植物水溶性タンパク質と消化しやすい炭水化物、動物の生理学的なパフォーマンスに密接に最も 2 つの植物栄養素を直接測定するための明確かつ迅速なプロトコルを提供しています。プロトコルを組み合わせて正確かつ再現性のある結果を提供するために最適化された植物固有の消化手順も特徴と比色試金。組織がこれらの試金がの変化を検出する感度であることを示す別のスイート コーンの分析植物の複数の空間スケールにわたって水溶性タンパク質と糖質コンテンツ。これら地域、植物の種や品種、成長している間で工場間違いがありますと同様に工場内の組織型の違いと同じ組織内でも位置的な違い。プラント生物学の植物生理学的過程とミネラル肥料を接続するための新しい機会を提供する可能性がありますも元素データの水溶性タンパク質と糖質コンテンツを組み合わせてします。これらの分析は、水溶性タンパク質と栄養生態学、植物-植食者の相互作用、食物網動態は, 生理・生態研究を強化する順番を研究に必要な糖質データ生成にも役立ちます。
Introduction
植物バイオマスは、事実上すべての陸生食物網の基礎を形作る。植物はその根系による土壌からの栄養の要素を取得し、生体分子を合成する、葉面組織に日光を利用します。特に、炭素と窒素は炭水化物、タンパク質 (アミノ酸で構成) の作成に使用し、植物バイオマス (それに注意してください「栄養素」という用語は、多くの場合、土壌など、N、生理を植えることを構築に必要な脂質P、K、S、ただし、このホワイト ペーパーではこの用語はタンパク質、炭水化物、脂質などの生体分子)。草食動物は、植物材料を消費する植物組織に含まれる栄養素、それらの構成要素に分解し、消費者の生理学的なプロセスを使用しています。この方法では、植物栄養素はより高い順序の生態学的相互作用と食物網動態にとって重要な意味と共に消費者の生理学に強い影響を持ってください。
動物王国の間で可溶性タンパク質と消化しやすい炭水化物が生存、複製、およびパフォーマンスの1に最も密接に関係する栄養素です。さらに、動物の大半は積極的にその生理的要求1,2を満たすためにこれらの 2 つの栄養素の摂取量を調節します。これは特に当てはまります植物組織の糖およびアミノ酸の濃度を検出する草食昆虫の摂食行動を指示します。その結果、植物の水溶性タンパク質と可消化炭水化物の含有量は植物・昆虫間の相互作用の進化で強力な役割を果たしています。
植物性水溶性タンパク質と消化性炭水化物含有量のデータは比較的稀である (しかし、6、7,8,9,10,11を参照してください)、間の優位性があります。データ (炭素・窒素・ リン) 植物要素のコンテンツで使用できます。これ主要素が植物無機栄養3,4、5の主要な役割を果たすためにです。要素の測定、相関関係は、水溶性タンパク質と消化性の炭水化物の量を推定する使用されているが正確な計算は、入手が困難。例えば、炭素はすべて有機化合物で普遍的に存在するため、植物に消化炭水化物含有量の指標としてカーボンを使用するは不可能です。元素の窒素と、植物の水溶性タンパク質含有の強力な関係が存在して窒素-タンパク質換算係数の一般化がしばしば用いられます。しかし、窒素-タンパク質の変換が高い種特異的な12,13,14,15、汎用的な変換の使用を可能性が高いことを強力な証拠があります。不正確です。このため、窒素-タンパク質換算係数はしばしば、草食動物の栄養学的研究に必要な限度において、特に、精度を欠いています。また、植物のアレロパシーの N 含有物質、アルカロイドなど、草食動物に有毒であることが多いグルコシノ レートの存在は、これらの変換を混同することができます。
ここでは、我々 は可溶性タンパク質の消化しやすい炭水化物植物組織の濃度を測定するため 2 つの化学的アッセイを提供しています。これらの試金は別々 に表示されますが、彼ら使用する同時に同じ植物のサンプルを分析する植物栄養素のより包括的な分析を達成するためにはお勧め。両方は吸光度による定量化続く抽出ステップから成ると同様の手法を採用しています。植物サンプル準備も容易にタンデムで両方の解析を実行する両方のプロトコルの同じです。これらのアッセイの有用性は彼らがそれ以上の年齢に依存して目新しさからなくならない (ブラッドフォード、ジョーンズ、デュボア) 確立された比色試金16,17,18, しかし、ここではっきりと容易に続く開催あいまいな植物固有の抽出技術17,19やすくこれらのアッセイの適用工場関連分野のものにするためにこれらのメソッドを組み合わせたプロトコル。
両方の試金のため、植物栄養素は凍結、lyophilizing、植物材料を研削加工によって物理的に抽出最初。さらに水溶性蛋白質の試金は、化学的抽出が17,19ボルテックス冷暖房 NaOH 溶液のサンプルのいくつかのラウンドを行われます。Coomassie ブリリアント ブルー G-250 を利用したよく知られているブラッドフォードの試金は、水溶性タンパク質と 3,000-5,000 ダルトン16,17間ポリペプチドを定量化する使用されます。この試金はよくマイクロ プレートあたり 1 20 μ g 総蛋白間の検出範囲または < 25 μ G/ml ですがないメジャー遊離アミノ酸。糖質分析の抽出工程はスミスらの希薄酸法に基づいてください。20糖、澱粉、フラクトサン- がない炭水化物の分離が可能します。フェノール-硫酸酸性の定量化は、Duboisらから取得されます。18すべてモノ、オリゴ – と多糖類 (と同様メチル誘導体) を測定します。この試金は特定の糖を定量化することができるが、ここで私たちの総可消化炭水化物の含有量を示すインジケーターとして使用 (スミスらを参照してください。20のためのより詳細な分析)。一緒に、これらの試金は強く植物生態生理学と草食動物のパフォーマンス、地上食物網の基地でリソースの品質に重要なデータを提供する関連付けられている 2 つの栄養素を測定します。これらのプロトコルを提示草食動物栄養生態学、植物生理学、植物-植食者の相互作用のより完全な理解を得るために植物栄養素データセットの生成を促進します。
Protocol
Representative Results
Discussion
、効果的な植物固有の抽出のプロトコルと定評の比色定量法を組み合わせて紹介アッセイは植物性水溶性タンパク質と消化性炭水化物の含有量を測定するための合理的かつ正確なメソッドを提供します。私たちの結果は、トウモロコシを使用して模範は、これらのプロトコルを使用して、異なる生物学的関連空間スケールで正確な測定を取得する方法を示しています。たとえば、地理的な地?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
おかげで甘いトウモロコシのフィールドのコレクションと支援してきた私たちのコラボレーターのすべて、ラボック、テキサス州のドミニク ・ Reisig とダン モット ノースカロライナ州立大学、テキサス A & M 大学でパット ポーターを含みます。フィオナを Clissold にプロトコルの最適化を支援するため、この原稿の編集を提供するための感謝します。この仕事に支えられ一部にテキサス A & M C. エヴァレット Salyer 親睦 (昆虫学科) とバイオ テクノロジー リスク評価助成プログラム競争は、米国農務省から号 2015-33522-24099 を付与 (ガスに与えられるとSTB)。
Materials
| microplate reader (spectrophotometer) | Bio-Rad | Model 680 XR | |
| Bio-Rad Protein Assay Dye Reagent concentrate | Bio-Rad | #5000006 | 450mL |
References
- Simpson, S. J., Raubenheimer, D. . The Nature of Nutrition: A Unifying Framework from Animal Adapation to Human Obesity. , (2012).
- Behmer, S. T. Insect herbivore nutrient regulation. Annual Review of Entomology. 54, 165-187 (2009).
- Epstein, E. Mineral nutrition of plants: mechanisms of uptake and transport. Annual Review of Plant Physiology. 7 (1), 1-24 (1956).
- Chapin, F. S. The mineral nutrition of wild plants. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics. 11 (1), 233-260 (1980).
- Marschner, H. . Marschner’s Mineral Nutrition of Higher Plants. , (1956).
- Stieger, P. A., Feller, U. Senescence and protein remobilization in leaves of maturing wheat plants grown on waterlogged soil. Plant and Soil. 166, 173-179 (1994).
- Li, R., Volenec, J. J., Joern, B. C., Cunningham, S. M. Seasonal changes in nonstructural carbohydrates, protein, and macronutrients in roots of alfalfa, red clover, sweetclover, and birdsfoot trefoil. Crop Science. 36, 617-623 (1996).
- Sánchez, E., Rivero, R. M., Ruiz, J. M., Romero, L. Changes in biomass, enzymatic activity and protein concentration in roots and leaves of green bean plants (Phaseolus vulgaris L. cv. Strike) under high NH4NO3 application rates. Scientia Horticulturae. 99, 237-248 (2004).
- Lenhart, P. A., Eubanks, M. D., Behmer, S. T. Water stress in grasslands: Dynamic responses of plants and insect herbivores. Oikos. 124, 381-390 (2015).
- Machado, A. R., Arce, C. C. M., Ferrieri, A. P., Baldwin, I. T., Erb, M. Jasmonate-dependent depletion of soluble sugars compromises plant resistance to Manduca sexta. New Phytologist. 207, 91-105 (2015).
- Deans, C. A., Behmer, S. T., Fiene, J., Sword, G. A. Spatio-temporal, genotypic, and environmental effects of plant soluble protein and digestible carbohydrate content: implications for insect herbivores with cotton as an exemplar. Journal of Chemical Ecology. 42 (11), 1151-1163 (2016).
- Boisen, S., Bech-Andersen, S., Eggum, B. O. A critical view of the conversion factor 6.25 from total nitrogen to protein. Acta Agriculturae Scandinavica. 37, 299-304 (1987).
- Ezeagu, I. E., Petzke, J. K., Metges, C. C., Akinsoyinu, A. O., Ologhobo, A. D. Seed protein contents and nitrogen-to-protein conversion factors for some uncultivated tropical plant seeds. Food Chemistry. 78, 105-109 (2002).
- Izhaki, I. Influence of nonprotein nitrogen on estimation of protein from total nitrogen in fleshy fruits. Journal of Chemical Ecology. 19, 2605-2615 (1993).
- Mossé, J. Nitrogen to protein conversion factor for ten cereals and six legume or oilseeds. A reappraisal of its definition and determination. Variation according to species and seed protein content. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 38, 18-24 (1990).
- Bradford, M. M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Analytical Biochemistry. 72 (1-2), 248-254 (1976).
- Jones, C. G., Hare, J. D., Compton, S. J. Measuring plant protein with the Bradford assay. Journal of Chemical Ecology. 15 (3), 979-992 (1989).
- Dubois, M., Gilles, K. A., Hamilton, J. K., Rebers, P. A., Smith, F. Colormetric method for determination of sugars and related substances. Analytical Biochemistry. 28, 350-358 (1956).
- Clissold, F. J., Sanson, G. D., Read, J. The paradoxical effects of nutrient ratios and supply rates on an outbreaking insect herbivore, the Australian plague locust. Journal of Animal Ecology. 75, 1000-1013 (2006).
- Smith, D., Paulsen, G. M., Raguse, C. A. Extraction of total available carbohydrates from grass and legume tissue. Plant Physiology. 39 (6), 960-962 (1964).
- Cui, S. W. . Food carbohydrates: Chemistry, physical properties, and applications. , (2005).
- Chow, P. S., Landhäusser, S. M. A method for routine measurements of total sugar and starch content in woody plant tissues. Tree Physiology. 24 (10), 1129-1136 (2004).
- Masuko, T., Minami, A., Iwasaki, N., Majima, T., Nishimura, S. I., Lee, Y. C. Carbohydrate analysis by a phenol-sulfuric acid method in microplate format. Analytical Biochemistry. 339 (1), 69-72 (2005).
- Foley, W. J., McIlwee, A., Lawler, I., Aragones, L., Woolnough, A. P., Berding, N. Ecological applications of near infrared reflectance spectroscopy- a tool for rapid, cost-effective prediction of the composition of plant and animal tissues and aspects of animal performance. Oecologia. 116 (3), 292-305 (1998).
- Kokaly, R. F. Investigating a physical basis for spectroscopic estimates of leaf nitrogen concentration. Remote Sensing of Environment. 75 (2), 153-161 (2001).
- Schulz, H., Baranska, M. Identification and quantification of valuable plant substances by IR and Raman spectroscopy. Vibrational Spectroscopy. 43 (1), 13-25 (2007).
- Cozzolino, D., Morón, A. The potential of near-infrared reflectance spectroscopy to analyse soil chemical and physical characteristics. The Journal of Agricultural Science. 140, 65-71 (2003).
- Simpson, S. J., Sword, G. A., Lorch, P. D., Couzin, I. D. Cannibal crickets on a forced march for protein and salt. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (11), 4152-4156 (2006).
- Lihoreau, M., Buhl, J., Sword, G. A., Raubenheimer, D., Simpson, S. J. Nutritional ecology beyond the individual: a conceptual framework for integrating nutrition and social interactions. Ecology Letters. 18 (3), 273-286 (2015).
- Deans, C. A., Behmer, S. T., Tessnow, A., Tamez-Guerra, P., Pusztai-Carey, M., Sword, G. A. Nutrition affects insect susceptibility to Bt. Scientific Reports. 7, 39705 (2017).
