This protocol describes a method to test the hypothesis that the reversal of the effective geomagnetic field (GMF) induces differential gene expression and alters the morphology of Arabidopsis thaliana. A triaxial octagonal system of Helmholtz coil-pairs was used to artificially generate reversed GMF conditions in the plant growth chamber.
Bitkilerin evrimi en uyarıcı gözlemlerden biri jeomanyetik alanın oluşumu (GMF) ters (veya geziler) ve Angiospermlerin radyasyon anı arasında bir ilişki olduğunu. Bu GMF polariteli değişiklikler, bitki gelişiminde rol oynayabilir hipotezine yol açmıştır. Burada, biz yapay GMF koşulları tersine için Arabidopsis thaliana'yı teşhir ederek, bu hipotezi sınamak için bir yöntem açıklanmaktadır. Bu üç eksenli bir manyetometre ve toplanan veriler GMF büyüklüğünü hesaplamak için kullanıldı. Üç DC güç kaynakları üç Helmholtz bobin çiftleri bağlandı ve GMF şartlarını değiştirmek için bir bilgisayar tarafından kontrol altına alındı. Petri kapları yetiştirilen bitkiler hem normal maruz kalan ve GMF koşulları tersine döndü. Sham uyarı deneyleri de gerçekleştirildi. Exposed bitkiler deney sırasında fotoğraflandı ve görüntüleri kök uzunluğu ve yaprak alanlarını hesaplamak için analiz edildi. Arabidopsis toplam RNA, ekstre edilmiş ve nicel edildiGerçek zamanlı PCR (qPCR) CRUCIFERIN 3 (CRU3), bakır taşıma protein1 (COTP1), Redox Duyarlı Transkripsiyon faktörüne 1 (RRTF1), Fe Süperoksit dismutaz 1 (FSD1), Catalase3 (CAT3), Thylakoidal gen ekspresyonu üzerindeki analizleri yapılmıştır Askorbat peroksidaz (TAPX), sitozolik Askorbat Peroxidase1 (APX1) ve NADPH / solunum patlaması oksidaz protein D (RbohD). Dört farklı referans genleri qPCR sonuçları normalleştirmek için analiz edildi. Dört genin en seçildi ve normalleşmesi için en kararlı gen kullanıldı. Bizim verilerimiz üç eksenli bobinleri kullanarak GMF kutuplarını ters bitki büyüme ve gen ifadesi üzerinde önemli etkileri olduğu ilk kez gösteriyor. Bu sonuçta p giden, daha yüksek bir seçici baskı haklı olabilir GMF ters bitki gelişiminde değişiklikleri uyaran katkıda hipotezini desteklemektedirlant evrim.
Dünya'nın manyetik alanı (veya eşdeğer jeomanyetik alan, GMF) bitkiler de dahil olmak üzere gezegende yaşayan tüm canlılar için kaçınılmaz bir çevresel faktör olduğunu. GMF her zaman Dünya'nın doğal özelliği olmuştur, bu yüzden evrim sırasında, bütün canlı organizmalar eylemini yaşadı. Kanıtlar giderek artan vücut GMF birçok biyolojik süreçleri 1 etkilemek mümkün olduğunu göstermektedir. GMF üniforma değildir ve Dünya'nın yüzeyinde, büyüklüğü ve yönü önemli yerel farklılıklar vardır. Dünya'nın yüzeyinde GMF az 30 μT neredeyse 70 μT arasında değişen, büyüklükleri geniş bir yelpazede gösterir. GMF magnetosphere 2 aracılığıyla yüklü parçacıkların çoğu saptırma ile güneş rüzgarının öldürücü etkilerinden Dünyayı ve biyosfer korur.
Bitkiler çevresel uyaranlara cevap; ve ışık ve yerçekimi gibi abiyotik faktörlere klasik tepkiler t olmuşturhoroughly adlandırılan phototropic ve gravitropic yanıtları tanımlayarak tarif. Çok az ya da hiçbir şey bu konuda yayınlanmış ve son zamanlarda 1 yorum kağıtları bolluk rağmen, algı ve manyetik alanlar bitki yanıtların mekanizmaları üzerine bilinmektedir. Yerçekimi alanı aksine, GMF böylece son zamanlarda çeşitlendirilmesi ve türleşme 2 bitki katkıda sonunda potansiyel itici güç olarak kabul edilmiştir önemli bir stres faktörü temsil eden abiyotik bitki evrimi sırasında sürekli değişti. Jeomanyetik ters (veya geziler) GMF kutupluluğunda değişikliklerdir. Dünya'nın yaşam tarihi boyunca, GMF ters birkaç kez oluştu. Bunlar her polarite geçişi sırasında azalmış GMF gücü dönemlere gezegeni maruz. Düşük GMF gücü bu geçişler dönemleri böylece bir uyarıcı, yeryüzüne ulaşması güneş rüzgardan iyonizan radyasyon izin olabileceğini Bazı yazarlar hipotez varevrimi 2 bitki lider sonunda gen değişiklikleri ikna etmek için yeterince güçlü olabilirdi canlı organizmalar için tutarlı stres.
Bitkiler üzerinde manyetik alanların etkilerini anlatan deneylerin ayrıntılı bir analiz makul biyofizik etkileşim mekanizmalarının bir eksiklik ile karakterize çatışan raporlar, çok sayıda gösterir. Diğerleri sonuçta 3 inandırıcılıktan uzak olan, bir denenebilir hipotezini eksikliği ve süre birçok deney, sadece gerçekçi değildir. Son yıllarda, bitki manyetik alanların etkisi ilerleme ve araştırma statüsü 2,4-11 gözden geçirilmiştir. Son zamanlarda, hem düşük hem de yüksek manyetik alan etkisi iyice bitki evrimi 2 GMF ters olayların katılımı özel bir odaklanma ile, 1 tartışılmıştır.
En doğrudan aracı GMF ters bitki evrimi bir GMF sentezlenmesi etkileyecek hipotezini kanıtlamak içinNormal ve ters manyetik alan koşullarına bitkilerin tepkisini test ederek laboratuvar ters. Hipotezi test etmek için, biz bu nedenle doğru, normal GMF koşulları tersine için güçlü bir üç eksenli sekizgen Helmholtz bobin-çiftleri manyetik alan kompanzasyon sistemi (üç eksenli bobinler), inşa.
Biz bir model bitki olarak, Arabidopsis thaliana kullanılır ve bazı önemli genlerin gen ifadesi üzerinde ters GMF etkisi test edilmiştir: CRUCIFERIN 3 (CRU3), Trosin-fosforilat olan ve fosforilasyon durumu karşılık olarak modüle edilen bir 12S tohum depolama proteini kodlayan Arabidopsis thaliana tohumları 12,13 yılında ABA için; Toprak Cu edinimi ve polen gelişimi 14 baskın fonksiyonu ile bir ağır metal taşıma / detoksifikasyon süperailesi proteinini kodlayan Bakır Ulaşım Protein1 (COTP1); ve Redoks Responsive Transkripsiyon faktörüne 1 (RRTF1),Bu EAF (etilen tepki faktörü) alt familyası B-3 gen sentezleme yollarının sinerjistik eş aktivasyonunu kolaylaştırır ve abiyotik çapraz tolerans ve biyotik 15 gerilmeler bir AP2 alanını ihtiva EAF / AP2 transkripsiyon faktörü ailesinin bir üyesi kodlar.
Ayrıca biz de oksidatif stres tepkileri ile bağlantılı olan beş genleri analiz: enzimatik ve hızlı bir süperoksit anyonu dönüştüren bir sitoplazmik enzimi kodlayan Fe Süperoksit Dismutase1 (FSD1), (O 2 -) ve su (H2O) hidrojen peroksit (H su ve oksijene 17,18 H nin parçalanmasını 2 O 2 katalize Catalase3 (diğer bir deyişle kodladığını CAT3) ve enzim,, 2 O 2) ve moleküler oksijen (O 2) 16 Thylakoidal askorbat peroksidaz (TAPX) bir kodlayan H 2 O scavenges kloroplastik tilakoit peroksidaz2 19, H2O 2 temizler ve NO türetilen moleküller 20 tarafından aracılık edilen translasyon sonrası modifikasyonların potansiyel hedefler birini temsil sitozolik peroksidazı kodlayan Askorbat Peroxidase1 (APX1); ve O 2 üreten bir enzimi kodlayan NADPH- Solunum patlama oksidaz protein D (RbohD) – ve Arabidopsis 21 büyüme, gelişme ve stres yanıtları düzenlenmesinde önemli rol oynar.
Bizim alan ters metodolojisi GMF ters A. morfolojisi ve gen ifadesinde önemli bir değişiklik uyarabilir ilk kanıt sağlar thaliana kökler ve sürgünler. Bu protokol ro tartışma bitki morfolojisi ve gen ifadesi üzerinde GMF bozma etkisini değerlendirmek için ve bitki davranışının diğer yönlerini GMF bozma potansiyeli etkisini değerlendirmek için kullanılabilir ve böylece rehberlik yenilikçi bir yol sağlarBitki evrimi GMF bozma le.
Biz son zamanlarda inanılmaz bir korelasyon GMF ters ve ailesel Angiosperm soyları çoğunun derivasyon 2 oluştu zaman arasında var olduğunu gösterdi. Ancak, GMF ters kendisi bitki gen ifadesi ve morfoloji önemli değişiklikler neden olabilir uyarıcı hipotezler ve çeşitli GMF şiddetlerinde etkisi üzerine yapılan çalışmaların bolluğu, varsayım rağmen gösterilmiştir olmamıştı. Burada, ilk kez için, laboratuarda GMF tersine çevirmek için üç eksenli sekizgen Helmholtz bobini kullanan ve çevre manyetik alanın tersine fenotipik değişiklik ve bitkilerde gen ekspresyonunun modüle edilmesine neden olduğu bir yöntem göstermektedir.
Bitki büyüme deneylerinde (2 x 2 x 2 m 3) için yeterli bir hacmi üzerinde GMF ters (veya değiştirilmesi) elde etmek için, biz sekizgen Helmholtz bobin sistemi kurdu. Bu sistem (genellikle Helmholtz bobinleri halka şeklinde ve daha küçük olan) ticari olarak mevcut değildirve inşaat maliyetleri önemli idi. Önemlisi, bu sistem değiştirilmiş manyetik alanlarda olağanüstü zaman istikrar ve homojenlik ile sağlam alan değişikliği sağlıyor.
Sistem normal şartlarda bir binde GMF değerini azaltmak veya manyetik alanın üç boyutlu herhangi tersine tasarlanmış ve inşa edilmiştir. Ancak, ruloların tasarımı, yüksek bir manyetik alan gücünden oluşturmak için izin vermez. Bu nedenle, bu biçimde, bu cihaz ya da diğer organizmalar bitkiler yüksek manyetik alan gücü etkisini değerlendirmek için tasarlanmıştır deneyler için uygun değildir.
Laboratuarda, bu yöntemde tarif edilenlere benzer GMF değiştirilmesi manyetik alan sapma ve metal kendi içinde onları konsantre yüksek manyetik geçirgenliğe sahip ferromanyetik metal levhalar, deneysel bölgeyi çevreleyen tarafından koruyucu dahil olmak üzere farklı yöntemlerle elde edilmiştir. ThHelmholtz bobinleri kullanılarak e avantajı, sistemin bu nedenle sadece in vitro çalışmalar için (Petri kaplarının kullanımı ile ilgili olarak) doğru değil, aynı zamanda yapım bitkiler daha doğal koşullar (ışık, hava dolaşımı, vs.) maruz kalmasına olanak sağlamasıdır in vivo bitki büyüme ve gelişme deneyler için. Sistemimizde boyutları, böylece birkaç Petri plakaları veya bazı küçük ev sahibi için izin (Şekil 1A bakınız) 25 x 25 x 25 cm3 küresel bir hacim boyunca doğal GMF <1 / 1000. a kadar bastırma izin veren bir boşluk oluşturmak bitki büyümesi için tencere.
Burada sunulan yöntem, bitki biyolojisi çalışmaları uygulanmıştır; Bununla birlikte, sistem viroloji, mikrobiyoloji içeren deney geniş bir yelpazede izin verir, hem de nematodlara (örneğin Caenorhabditis elegans), böcek ve (fareler ve sıçanlar da dahil olmak üzere), küçük hayvanlar üzerinde çalışmaları. Bu nedenle, hipotez testleri GMF bu ters yapabiliyormorfolojik ve transkripsiyonel değişiklikler de belki sonuçta hatta insan hücrelerine, diğer pek çok canlı sistemler için uzun olabilir ikna etmek.
GMF sürekli değişen ve dalgalanıyor. Bu nedenle, deneylerde bir meydan okuma istenen yeni GMF değerlerini elde etmek için GMF sabit bir telafi sağlamaktır. Bu yalnızca manyetometre değerleri ve gerilim telafisi okunması üzerinden manyetik alan değerleri sürekli bir kontrolü ile elde edilebilir. Bu nedenle, sistem GMF yavaş yavaş değişen bir bölümünü telafi edebilirsiniz ama yüksek frekans dalgalanmaları için hiçbir şey yapmaz.
Sonuç olarak, vektör GMF ters üç eksenli bobinlerinin kullanımı GMF vektörünün bu bitki ters morfolojik değişiklikler ve farklı gen ekspresyonunu başlatmak için mümkün olduğunu göstermek için etkili oldu. Sunulan yöntem ile elde edilen sonuçlar hipotezi GMF yeniden destekleyen bir zorlayıcı kanıtevrenselleri jeolojik zaman ölçekleri üzerinde 2 bitki gelişimi için itici güçlerden biri olabilirdi.
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by a grant to MEM from the Dept. of Life Sciences and Systems Biology of the University of Turin, Italy. The authors thank G. Gnavi for technical assistance during some experiments. CTR is funded by the Wellcome Trust and the Royal Society (Grant Number 098436/Z/12/Z).
three-axis magnetometer | Bartington | Mag-03MC | triaxial fluxgate magnetometer |
Magnetometer power supply | Bartington | Mag-03PSU | triaxial fluxgate magnetometer |
Magnetometer software | Bartington | Mag03DAM | triaxial fluxgate magnetometer |
DC power supply | Agilent Technologies | E3642A | |
Calcium hypochlorite | Sigma | 211389 | |
Triton X-100 | Sigma | X100 | |
Ethanol | Sigma | 2860 | |
GroLux Sodium vapor lamps | OSRAM Sylvania | 600W | |
RNeasy Plant RNA kit | Qiagen | 74903 | |
RNase-Free DNase | Qiagen | 79254 | |
Agilent 2100 Bioanalyzer | Agilent Technologies | G2938B | |
NanoDrop ND-1000 | Thermo Fisher Scientific | not available | |
High-Capacity cDNA Reverse Transcription Kit | Applied Biosystems | 4368813 | |
Mx3000P | Agilent Technologies | 401512 | |
2X MaximaTM SYBR Green qPCR Master Mix | Fermentas International, Inc | K0221 | |
Parafilm | Sigma | P7793-1EA | |
Murashige and Skoog Basal Medium | Sigma | M5519 | |
Petri dish square (120×120) | Sigma | Z692344 |