Un protocole d'écran mutant de signalisation de transmission de force tactile et répétable de travail pour l'étude de la thigmomorphogenesis d'une plante modèle Arabidopsis thaliana
Summary
Une douce machine de chargement à force tactile est construite à partir de brosses à cheveux humaines, de bras robotiques et d’un contrôleur. Les brosses à cheveux sont entraînées par des bras robotiques installés sur la machine et se déplacent périodiquement pour appliquer la force tactile sur les plantes. La force des touches de cheveux entraînées par la machine est comparable à celle des touches appliquées manuellement.
Abstract
Les plantes répondant aux stimulations mécaniques intracellulaires et extracellulaires (ou signaux de force) et développent des changements morphologiques spéciaux, une thigmomorphogénèse appelée. Au cours des dernières décennies, plusieurs composants de signalisation ont été identifiés et signalés pour être impliqués dans la mécanotransduction (par exemple, protéines de liaison d’ion de calcium et enzymes de biosynthèse d’acide jasmonique). Cependant, le rythme relativement lent de la recherche dans l’étude de la signalisation de force ou de la thigmomorphogégénèse est largement attribué à deux raisons : l’exigence d’induction tactile humaine laborieuse manipulée à la main de la thigmomorphogégénèse et les erreurs de force de force associé à la main-touch des gens. Afin d’améliorer l’efficacité du chargement de la force externe sur un organisme végétal, une machine de chargement automatique à force tactile a été construite. Cette brosse à cheveux robotisée à bras offre une simulation de force tactile facile à sauver la main-d’œuvre et facilement répétable, des cycles illimités de répétition tactile et une force tactile réglable. Cette machine de chargement de force tactile de cheveux peut être employée pour le criblage à grande échelle des mutants de signalisation de force tactile et pour l’étude de phénoménèse de la thigmomorphogégénèse végétale. En outre, les matériaux tactiles tels que les cheveux humains, peuvent être remplacés par d’autres matériaux naturels comme les poils d’animaux, les fils de soie et les fibres de coton. Les bras mobiles automatisés de la machine peuvent être équipés de buses arrosées et de souffleurs d’air pour imiter les forces naturelles des gouttes de pluie et du vent, respectivement. En utilisant cette machine automatique de chargement à force tactile de cheveux en combinaison avec le toucher de l’écouvillon de coton effectué à la main, nous avons étudié la réponse tactile de deux mutants de signalisation de force, MAP KINASE KINASE 1 (MKK1) et MKK2 plantes . Les phénoménes des plantes sauvages chargées par force tactile et de deux mutants ont été évalués statistiquement. Ils ont montré des différences significatives dans la réponse au toucher.
Introduction
La thigmomorphogénèse végétale est un terme inventé par Jaffe, MJ en 19731. Il s’agit d’un tropisme végétal, mais différent du phototropisme bien connu ou gravitropisme causé par des stimuli de la lumière du soleil ou de la gravité2,3. Il décrit les altérations phénotypiques associées aux stimulations mécaniques périodiques, qui ont été fréquemment observées par les botanistes dans les temps antérieurs4,5. Les gouttes de pluie, le vent, les plantes, les touches animales et humaines, même les morsures animales, sont tous considérés comme différents types de mécano-stimuli qui déclenchent la signalisation de la force dans les plantes4,5. Les caractéristiques de la thigmomorphogégénèse végétale comprennent le retard du boulonnage, une tige plus courte, une rosette plus petite / taille de feuille dans les plantes herbacées, et la tige plus épaisse dans les plantes ligneuses6,7,8. Ceci est différent de la réponse thigmonastique ou thigmotropic souvent trouvée dans la plante de Mimosa ou d’autres vignes mécano-sensibles, où ces réponses rapides de contact sont plus faciles à observer1,9,10. La thigmomorphogégenèse, d’autre part, est relativement difficile à observer en raison de sa réponse lente de croissance. La thigmomorphogénèse est habituellement observée après des semaines ou même des années de stimulation continue de force-chargement. Cette nature unique de la réponse tactile de la plante rend difficile l’exécution d’un écran génétique avancé en utilisant la stimulation tactile de la main humaine pour isoler les mutants résistants à la signalisation de force tactile d’une manière robuste.
Pour élucider les voies de transduction de signal de force et les mécanismes moléculaires sous-jacents à la thigmomorphogenesis6,11, des expériences biologiques moléculaires et cellulaires ont été effectuées au cours des6dernières, 12,13,14. Ces études ont proposé que les récepteurs de signal de force de la force végétale se composent principalement de canaux ioniques mécanosensibles (MSC) et les complexes MSC attachés composés de complexes multimériques de protéines membranaires11,14 , 15. Le pic transitoire cytoplasmique Ca2mD généré en quelques secondes après le toucher initial. Le vent, la pluie ou la gravi-stimulation peuvent interagir avec les capteurs de calcium en aval pour transduire les signaux de force aux événements nucléaires14,16,17,18. En plus des études moléculaires et cellulaires, l’écran génétique avant avec le toucher manuel des doigts des plantes a constaté que les phytohormones et les métabolites secondaires sont impliqués dans l’expression du gène tactile-inductible (TCH) qui en résulte à la suite de la chargement à force tactile13,19. Par exemple, aos et opr320 mutants ont été identifiés jusqu’à présent loin des études génétiques. Cependant, le problème majeur lié à l’application de la génétique avancée dans l’étude de la thigmomorphogénèse est toujours le travail intensif requis pour quantifier le niveau de réponse tactile et toucher une grande population de génétiquement muté plantes individuelles. Le problème de temps persiste également dans la main touchant à base d’écran mutant14,20. Par exemple, pour effectuer une série de stimulation par force tactile, une personne doit toucher 30 à 60 fois (une touche par seconde) sur une plante individuelle. Afin d’avoir un nombre suffisant de plantes pour l’analyse statistique du phénotype, 20-50 plantes individuelles du même génotype sont normalement nécessaires pour le processus de chargement par force tactile. Ce régime de chargement de force tactile signifie qu’une personne doit effectuer de façon répétitive 600-3000 touches sur un génotype de choix. Ce type de toucher doit normalement être répété 3 à 5 tours par jour, ce qui équivaut à environ 1 800-15 000 touches de doigt ou de coton par jour par génotype de plantes. Une personne bien formée est normalement nécessaire pour maintenir la force et la force de multiples touches dans une gamme souhaitable tout au long de nombreux tours de répétition dans une journée pour éviter la grande variation de force et de force. Comme il est bien connu que la thigmomorphogégénèse est un processus saturable et dépendant de la dose6,21, la force tactile / force devient essentielle à un succès dans le déclenchement de la réponse tactile d’une plante.
Pour supprimer le chargement de force tactile dépendant de la personne et pour maintenir l’application mécanique dans une plage d’erreur acceptable14, nous avons donc conçu une machine de chargement automatique à force tactile pour remplacer les touches manipulées à la main. La machine a 4 bras mobiles construits, dont chacun est équipé d’une brosse à cheveux humaine. Cette version est nommée Modèle K1 pour spécifier sa caractéristique de la charge de force tactile des cheveux humains. Si 4 génotypes sont mesurés quantitativement pour leur thigmomorphogénèse ou leur réponse tactile sous une seule machine, 40-48 individus par génotype peuvent être mesurés. Chaque cycle de répétition tactile (moins de 60 fois de toucher par plante) dure moins de 5 minutes à l’aide d’un bras robotique réglable à vitesse mobile. Ainsi, les plantes d’une machine tactile modèle K1 peuvent être stimulées mécaniquement pendant plusieurs tours par jour, soit avec un chargement constant de force tactile, soit avec différents niveaux de forces comme initialement programmé.
Arabidopsis thaliana, un organisme végétal modèle, a donc été choisi comme espèce végétale cible pour tester l’application entièrement automatique de la machine de chargement par force tactile. Parce qu’il ya plusieurs grandes banques de semences disponibles pour récupérer les divers germplasmes de mutants et la taille de la floraison, Arabidopsis s’adapte bien à l’espace disponible dans l’étagère de croissance monté avec la machine tactile modèle K1.
La machine tactile automatique Model K1 se compose de trois composants principaux : (1) le support métallique en forme de H composé de deux actionneurs linéaires à courroie, (2) des bras métalliques robotiques équipés de brosses à cheveux et (3) un contrôleur. Pour une machine tactile modèle K1 personnalisée, chaque module d’axe X/Y est composé d’un guide-rail à courroie, de deux blocs de glissière (rouge) et d’un moteur de 57 stepper (préinstallé et démontable) (Figure 1A,B). L’actionneur horizontal supérieur permet au bras métallique robotique de se déplacer horizontalement à gauche et à droite, l’actionneur linéaire vertical inférieur à courroie permet au bras métallique robotique de se déplacer verticalement (Figure1B, Figure 2A ). Quatre bras robotiques démontables ont été installés sur l’actionneur vertical (Figure 1C, Figure 2B). Quatre brosses à cheveux humaines étaient liées à quatre bras robotiques, respectivement (Figure 1C, Figure 2B). Toutes les pièces mécaniques pour construire la machine tactile modèle K1 en caractères en gras ci-dessous sont indiquées dans la figure 1C (voir aussi le tableau des matériaux).
Protocol
Representative Results
Discussion
La thigmomorphogégénèse est une réponse complexe de croissance de plante vers des perturbations mécaniques, qui implique un réseau de signalisation cellulaire et d’action des phytohormones. C’est une conséquence de l’évolution adaptative des plantes pour survivre dans les conditions environnementales indésirables25,26. Le toucher mécanique, en particulier le toucher humain des doigts et le toucher de coton-tige tenu à la main, ont été sélectionnés …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette étude a été soutenue par les subventions suivantes : 31370315, 31570187, 31870231 (National Science Foundation of China), 16100318, 661613, 16101114, 16103615, 16103817, AoE/M-403/16 (RGC of Hong Kong). Les auteurs tient à remercier Ju Feng Precision and Automation Technology Limited (Shenzhen, Chine) pour leur offre de plusieurs schémas présentés à la figure 1.
Les auteurs souhaitent également remercier S. K. Cheung et W. C. Lee pour leur contribution au développement de la machine de chargement à force tactile.
Materials
| 4 hair brushes | customized | ||
| 4 robot arms with one holder | customized | 1000 mm length holder and 560 mm length robot arm | |
| 57 stepper motor | 57HS22-A | ||
| All purpose potting soil | Plantmate, Hong Kong | ||
| Arabidopsis plant seeds | Arabidopsis Biological Resource Centers, Columbus, OH | For arabidopsis seed purchase | |
| BIO-MIX potting substratum | Jiffy Products International BV, the Netherlands | 1000682050 | Two soils were mixed together to grow Arabidopsis. The ratio of All purpos potting soil and BIO-MIX is 1:2 |
| IL 1700 research radiometer | International Light, Newburyport, MA | The light intensity of both full-wavelength and photosynthetic active radiation can be measured. | |
| ImageJ | https://imagej.nih.gov/ij/download.html | Free downloaded software | |
| Ju Feng Precision and Automation Technology Limited | Shenzhen, China | For belt-driven linear actuators and other mechanical modules purchase | |
| Junction plate of the slide block | To fix the Y guide-rail module or Y auxiliary girder onto backs of slide blocks | ||
| Junction plate of the X axis module | customized | To connect the X guide-rail module and X auxiliary girder | |
| Slide block | |||
| WDT4045 X axis guide-rail module | 843 mm, customized | Pre-installed with two slide blocks and one 57 stepper motor | |
| WDT4045 Y axis guide-rail module | 1038 mm, customized | Pre-installed with two slide blocks and one 57 stepper motor | |
| X axis auxiliary girder | 843 mm, customized | Pre-installed with two slide blocks | |
| Y axis auxiliary girder | 1038 mm, customized | Pre-installed with two slide blocks |
Referências
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