Количественная оценка завод растворимого белка и усваиваемых углеводов контента, используя кукурузы (Zea mays) как образец
Summary
Протоколы, описанные здесь обеспечивают четкий и доступный методологии для измерения растворимого белка и легкоусвояемые углеводы (неструктурных) содержание в тканях растений. Возможность количественной оценки этих двух растений макро имеет существенные последствия для продвижения вперед в области физиологии растений, питания Экология, взаимодействия растений травоядных и веб пищевой экологии.
Abstract
Элементаль данные обычно используются для выведения растений качество как ресурс для травоядных животных. Однако повсеместное распространение углерода в биомолекулы, присутствие азотсодержащих соединений завод оборонительных и различия в вегетационных корреляции между азотом и растений все содержание белка ограничивают точность этих выводов. Кроме того исследования сосредоточены на завод и/или травоядных физиологии требуют, что уровень точности, что не достигается с помощью обобщенной корреляции. Представленные здесь методы предложить исследователи четкое и быстрое протокол для измерения непосредственно завод растворимые белки и усваиваемые углеводы, макроэлементы два завода, наиболее тесно связана с физиологическое состояние животных. Протоколы сочетают хорошо характеризуется колориметрические анализов с оптимизированной пищеварение завод конкретные шаги предоставлять точные и воспроизводимые результаты. Наш анализ различных сахарная кукуруза, что ткани показывают, что эти анализы чувствительности, чтобы обнаружить различия в завод растворимого белка и содержанием усваиваемых углеводов через несколько пространственных масштабах. Эти включают различия между завод через растущих регионов и видов растений и сортов, а также в рамках завода, различия в типе ткани и даже позиционные различия внутри же ткани. Сочетание растворимого белка и содержанием усваиваемых углеводов с элементарного данных также имеет потенциал, чтобы обеспечить новые возможности для подключения минерального питания растений с завода физиологических процессов в биологии растений. Эти анализы также помогают генерировать растворимого белка и данных усваиваемых углеводов, необходимых для изучения питания Экология, взаимодействия растений травоядных и веб-продуктов питания динамика, которая в свою очередь укрепит физиологии и экологических исследований.
Introduction
Биомассы растений является основой практически всех наземных пищевых цепях. Растения приобретают элементов питания из почвы через их корни системы и использовать солнечный свет в их внекорневая тканей для синтеза биомолекул. В частности углерода и азота используются для создания углеводы, белки (в составе аминокислот), и липиды, которые необходимы для создания биомассы растений (следует отметить, что в физиологии термин «макро» часто относится к почвы элементы, такие как N, растений P, K и S, однако, в этом документе этот термин будет относиться к биомолекул, такие как белки, углеводы и липиды). Когда травоядных потреблять растительного материала, макроэлементы, содержащиеся в тканях растений разбита на их составные части и затем используется для привода физиологические процессы потребителя. Таким образом завод макроэлементов имеют сильное влияние на потребителей физиологии наряду с важные последствия для высшего порядка экологических взаимодействий и динамика веб еда.
Через животного царства растворимого белка и легкоусвояемые углеводы являются макроэлементы, наиболее тесно связана с выживания, воспроизводства и производительности1. Кроме того большинство животных активно регулировать свое потребление этих двух макроэлементов для удовлетворения их физиологические требования1,2. Это особенно верно для насекомых травоядные животные, которые обнаруживают концентрации сахаров и аминокислот в тканях растений, который в свою очередь направляет кормления поведение. В результате растение растворимого белка и усваиваемых углеводов сыграла заметную роль в развитии растений насекомое взаимодействий.
Хотя данные на завод растворимого белка и содержанием усваиваемых углеводов являются относительно редкими (но см6,,78,9,10,11), существует преобладание имеющиеся данные о Элементаль содержание растений (углерод, азот и фосфор). Во многом это потому, что элементы играют главную роль в завод минерального питания3,4,5. Там, где элементы измеряются, корреляции были использованы для экстраполирования количества растворимого белка и легкоусвояемые углеводы, но зачастую трудно получить точные расчеты. Например невозможно использовать углерода как индикатор растений усваиваемых углеводов, потому что углерода повсеместно присутствует во всех органических соединений. Сильнее связь существует между элементарный азот и содержание растворимого белка растений, и часто используются обобщенные коэффициенты пересчета азота и белков. Однако есть убедительные доказательства того, что преобразования азота и белков являются весьма вегетационных12,13,14,15, делая использование обобщенных преобразования вероятно неточными. Из-за этого коэффициенты пересчета азота белок часто не хватает точности, особенно в той степени, которая требуется для питания исследований на травоядных животных. Кроме того присутствие N-содержащих растений allelochemicals, такие как алкалоиды и глюкозинолатов, часто являются токсичными для травоядных животных, можно смешивать эти преобразования.
Здесь мы предлагаем два химических анализов для измерения концентрации растворимые белки и легкоусвояемые углеводы в тканях растений. Отдельно представлены эти анализы, но предполагается, что они одновременно использоваться для анализа же образцы растений для того, чтобы достичь более всесторонний анализ растений макро. Оба используют одинаковые методологии, состоящий из извлечения шаг, следуют количественной оценки через поглощения. Подготовки образцов растений также является одинаковой для обоих протоколов, что делает его легко запустить оба анализы в тандеме. Полезность этих анализов не проистекают из их новизны, как они полагаются на старых, (Брэдфорд, Джонс, Дюбуа) устоявшихся колориметрические анализов16,17,18, но здесь мы организовали четкие и easy-to последующие Протокол, который сочетает в себе эти методы более неясными извлечения завода специфические методы17,19 для того, чтобы сделать более доступными для тех, кто в завод соответствующих областях применения этих анализов.
Для обоих анализов завод макроэлементы сначала извлекаются физически, замораживания, лиофилизации и шлифовка растительного материала. Далее для assay растворимого белка, химического извлечения делается19 17,через несколько раундов vortexing и нагрева образцов в растворе NaOH. Хорошо известные assay Брадфорд, используя Кумасси блестящий синий G-250, затем используется для количественной оценки растворимые белки и полипептиды между 3000-5000 Дальтон16,17. Этот assay имеет дальность обнаружения между 1-20 мкг Гербера за Гонав хорошо или < 25 мкг/мл, но это не мера свободные амино кислоты. Извлечения шаг усваиваемых углеводов assay основан на разбавленные кислоты методом Smith et al. 20 и позволяет для изоляции растворимых сахаров, крахмал и fructosan – но не структурный углеводов. Фенол серная кислота количественного определения метода берется из Дюбуа и др. 18 и мер всех моно-, олиго- и полисахаридов (а также производные метил). Этот assay может дать количественную оценку конкретных сахара, но здесь мы используем его в качестве показателя общего усваиваемых углеводов (см. Смит и др. 20 для более детального анализа). Вместе эти анализы измерить два макроэлементы, которые сильно привязаны к заводе эко физиологии и травоядных производительность, предоставляя важные данные по качества ресурсов на базе наземных трофических. Представляя эти протоколы способствует поколения растений макро наборов данных для того чтобы получить более глубокое понимание физиологии растений, травоядных питания Экология и взаимодействия растений-травоядное животное.
Protocol
Representative Results
Discussion
Объединив устоявшихся колориметрические анализов с эффективной добычи конкретных протоколов, анализов, продемонстрировали здесь предоставляют разумные и точный метод измерения завод растворимого белка и содержанием усваиваемых углеводов. Наши результаты, используя кукурузы как об…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Спасибо всем из наших сотрудников, которые оказывали помощь с коллекции полей кукуруза включая Доминик Райзиг и Dan Мотт в государственном университете Северной Каролины и ПЭТ Портер в Texas A & M University в Лаббок, штат Техас. Благодаря Фиона Клиссолд для помогая оптимизировать протоколов и обеспечения изменения этой рукописи. Эта работа частично поддержали Texas A & M C. Everette Салье стипендий (Кафедра энтомологии) и биотехнологии риска Грант программы оценки конкурсных грантов № 2015-33522-24099 из Департамента сельского хозяйства США (присуждена газ и STB).
Materials
| microplate reader (spectrophotometer) | Bio-Rad | Model 680 XR | |
| Bio-Rad Protein Assay Dye Reagent concentrate | Bio-Rad | #5000006 | 450mL |
Referências
- 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).
