Каталитической очистки растений реактивнооксигенных видов в естественных условиях наночастицами оксида церия анионные
Summary
Здесь мы представляем собой протокол для синтеза и характеристика наночастиц оксида церия (nanoceria) для ROS (реактивнооксигенных видов) очистки в естественных условиях, nanoceria изображений в тканях растений confocal микроскопии, и в естественных условиях мониторинг nanoceria Рось очистки от конфокальной микроскопии.
Abstract
Накопление реактивнооксигенных видов (ров) является отличительной чертой реакцию растений абиотического стресса. ROS играть двойную роль в растениях, действуя в качестве сигнальных молекул на низком уровне и повреждения молекул на высоком уровне. Накопление рос в стресс растений могут повредить метаболиты, ферменты, липиды и ДНК, вызывая сокращение роста растений и урожай. Способность наночастиц оксида церия (nanoceria) каталитически Мусоробот рос в естественных условиях дает уникальный инструмент для понимания и биоинженер завод абиотическому стрессу. Здесь мы представляем протокол синтезировать и характеризуют поли (акрил) кислоты с покрытием nanoceria (НГП), интерфейс наночастиц с растениями через листовой пластинки инфильтрации и следить за их распределения и очистки в естественных условиях с помощью конфокальной ROS микроскопия. Текущий молекулярной инструменты для манипулирования ROS накопления в растениях ограничиваются модель видов и требуют кропотливого преобразования методов. Этот протокол в естественных условиях рос очистки имеет потенциал для применения к дикого типа растения с широким листьями и структура листьев как Arabidopsis thaliana.
Introduction
Наночастицы оксида церия (nanoceria) широко используются в живых организмов, от фундаментальных исследований к биоинженерии, из-за их собственный каталитического реактивнооксигенных видов (ров) очистки способность1,2,3. Nanoceria имеют ROS очистки способности из-за большого числа вакансий поверхности кислорода, которые чередуются между двумя окисления государств (Ce3 + и Ce4 +) 4,5,6. Ce3 + оборванных связей эффективно собирать рос в то время как решетка штаммов на наноуровне способствуют регенерации этих дефектов сайтов через окислительно-восстановительные реакции7Велоспорт. Nanoceria недавно использовались также для изучения и инженерии растений функция8,9. Растения абиотическому стрессу опыт накопление ROS, оксидативного повреждения липидов, белков и ДНК10. В A. thaliana растений nanoceria каталитическую очистку рос в vivo приводит к улучшение завод фотосинтеза под высокие света, тепла и охлаждения подчеркивает8. Применение nanoceria почв также увеличивает стрелять биомассы и зерна урожая пшеницы (Triticum aestivum)11; растения рапса (Brassica napus), лечение с nanoceria имеют выше биомассы растений под соль стресс12.
Nanoceria предлагают биогенетики и растений биологи средство на основе нанотехнологий понять ответы абиотического стресса и улучшения завод абиотическому стрессу. Nanoceria в в естественных условиях рос очистки возможности не зависят от видов растений, и поверхностным доставки в тканях растений имеет потенциал для включения широкого применения вне модели организмов. В отличие от других методов, основанных на генетически nanoceria не требуют генерации линий завода с гиперэкспрессия антиоксидантных ферментов для высших ROS, очистки способность13. Листовой пластинки проникновения nanoceria для растений является практический подход на основе лабораторных исследований.
Общая цель настоящего Протокола заключается в описать 1) синтез и характеристика отрицательно заряженных поли (акрил) кислоты nanoceria (НГП), 2) доставки и отслеживания НГП всей ячейки листа и 3) мониторинг очистки НГП с поддержкой рос в VIVO. В этом протоколе отрицательно заряженных поли (акрил) кислоты nanoceria (НГП) синтезируется и характеризуется их спектр поглощения, гидродинамические диаметр и Зета потенциал. Мы опишем простой лист пластинки инфильтрации способ доставить НГП в завод листовой ткани. Для изображений в vivo наночастиц распределения внутри клетки мезофилл, флуоресцентные краски (дии) был использован ярлык НГП (дии-НГП) и соблюдать наночастиц через конфокальный флуоресцентной микроскопии. Наконец мы объясним, как контролировать в vivo НГП ROS очистку через confocal микроскопии.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом протоколе мы описываем НГП синтеза, характеристика, Флюоресцентная краска маркировки и конфокальная томография наночастиц в клетки растений мезофилл выставить их в естественных условиях рос очистки деятельности. НГП синтезируются из смеси нитрата церия и ПАА раствор гидр…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана университет Калифорнии, Риверсайд и USDA национального института продовольствия и сельского хозяйства, Люк проекта 1009710 J.P.G. Этот материал основан на работе, поддержке Национального научного фонда под Грант № 1817363 для J.P.G.
Materials
| Cerium (III) nitrate hexahydrate | Sigma-Aldrich | 238538-100G | |
| Molecular Biology Grade Water, Corning | VWR | 45001-044 | |
| Falcon 50 mL Conical Centrifuge Tubes | VWR | 14-959-49A | |
| Poly (acrylic acid) 1,800 Mw | Sigma-Aldrich | 323667-100G | |
| Fisherbrand Digital Vortex Mixer | Fisher Scientific | 02-215-370 | |
| Fisherbrand Digital Vortex Mixer Accessory, Insert Retainer | Fisher Scientific | 02-215-391 | |
| Fisherbrand Digital Vortex Mixer Accessories: Foam Insert Set | Fisher Scientific | 02-215-395 | |
| Ammonium hydroxide solution | Sigma-Aldrich | 05002-1L | |
| PYREX Griffin Beakers, Graduated, Corning | VWR | 13912-149 | |
| RCT basic | IKA | 3810001 | |
| Eppendorf Microcentrifuge 5424 | VWR | 80094-126 | |
| Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter Units | Millipore-Sigma | UFC901024 | |
| Allegra X-30 Series Benchtop Centrifuge | Beckman Coulter | B06314 | |
| UV-2600 Sptecrophotometer | Shimadzu | UV-2600 120V | |
| Whatman Anotop 10 syringe filter | Sigma-Aldrich | WHA68091102 | |
| BD Disposable Syringes with Luer-Lok Tips | Fisher Scientific | 14-829-45 | |
| Zetasizer Nano S | Malvern Panalytical | Zen 1600 | |
| 1,1′-Dioctadecyl-3,3,3′,3′-tetramethylindocarbocyanine perchlorate | Sigma-Aldrich | 42364-100MG | |
| Dimethyl Sulfoxide, ACS | VWR | BDH1115-1LP | |
| Sunshine Mix #1 LC1 | Green Island Distributors, Inc | 5212601.CFL080P | |
| Adaptis 1000 | Conviron | A1000 | |
| TES, >99% (titration | Sigma-Aldrich | T1375-100G | |
| Magnesium chloride | Sigma-Aldrich | M8266-1KG | |
| Air-Tite All-Plastic Norm-Ject Syringe | Fisher Scientific | 14-817-25 | |
| Kimberly-Clark Professional Kimtech Science Kimwipes Delicate Task Wipers | Fisher Scientific | 06-666A | |
| Carolina Observation Gel | Carolina | 132700 | |
| Corning microscope slides, frosted one side, one end | Sigma-Aldrich | CLS294875X25-72EA | |
| Cork Borer Sets with Handles | Fisher Scientific | S50166A | |
| Perfluorodecalin | Sigma-Aldrich | P9900-25G | |
| Micro Cover Glasses, Square, No. 1 | VWR | 48366-045 | |
| Leica Laser Scanning Confocal Microscope TCS SP5 | Leica Microsystems | TCS SP5 | |
| 2′,7′-Dichlorofluorescin diacetate | Sigma-Aldrich | D6883-250MG | |
| Dihydroethidium | Sigma-Aldrich | D7008-10MG | |
| Fisherbrand Premium Microcentrifuge Tubes: 1.5 mL | Fisher Scientific | 05-408-129 | |
| Eppendorf Uvette cuvettes | Sigma-Aldrich | Z605050-80EA | |
| Chlorophyll meter | Konica Minolta | SPAD-502 |
References
- Xu, C., Qu, X. Cerium oxide nanoparticle: A remarkably versatile rare earth nanomaterial for biological applications. NPG Asia Materials. 6 (3), 90-116 (2014).
- Nelson, B., Johnson, M., Walker, M., Riley, K., Sims, C. Antioxidant cerium oxide nanoparticles in biology and medicine. Antioxidants. 5 (2), 15 (2016).
- Gupta, A., Das, S., Neal, C. J., Seal, S. Controlling the surface chemistry of cerium oxide nanoparticles for biological applications. Journal of Materials Chemistry B. 4 (19), 3195-3202 (2016).
- Walkey, C., et al. Catalytic properties and biomedical applications of cerium oxide nanoparticles. Environ. Sci.: Nano. 2 (1), 33-53 (2015).
- Pulido-Reyes, G., et al. Untangling the biological effects of cerium oxide nanoparticles: the role of surface valence states. Scientific reports. 5, 15613 (2015).
- Dutta, P., et al. Concentration of Ce3+ and oxygen vacancies in cerium oxide nanoparticles. Chemistry of Materials. 18 (21), 5144-5146 (2006).
- Boghossian, A. A., et al. Application of nanoparticle antioxidants to enable hyperstable chloroplasts for solar energy harvesting. Advanced Energy Materials. 3, 881-893 (2013).
- Wu, H., Tito, N., Giraldo, J. P. Anionic cerium oxide nanoparticles protect plant photosynthesis from abiotic stress by scavenging reactive oxygen species. ACS Nano. 11 (11), 11283-11297 (2017).
- Giraldo, J. P., et al. Plant nanobionics approach to augment photosynthesis and biochemical sensing. Nature Materials. 13 (4), 400-408 (2014).
- Demidchik, V. Mechanisms of oxidative stress in plants: From classical chemistry to cell biology. Environmental and Experimental Botany. 109, 212-228 (2015).
- Rico, C. M., et al. Cerium oxide nanoparticles impact yield and modify nutritional parameters in wheat (Triticum aestivum L.). Journal of Agricultural and Food Chemistry. 62 (40), 9669-9675 (2014).
- Rossi, L., Zhang, W., Lombardini, L., Ma, X. The impact of cerium oxide nanoparticles on the salt stress responses of Brassica napus L. Environmental Pollution. 219, 28-36 (2016).
- Xu, J., Duan, X., Yang, J., Beeching, J. R., Zhang, P. Enhanced reactive oxygen species scavenging by overproduction of superoxide dismutase and catalase delays postharvest physiological deterioration of cassava storage roots. Plant Physiology. 161 (3), 1517-1528 (2013).
- Wu, H., et al. Developing and validating a high-throughput assay for salinity tissue tolerance in wheat and barley. Planta. , (2015).
- Pirmohamed, T., et al. Nanoceria exhibit redox state-dependent catalase mimetic activity. Chemical communications. 46 (16), 2736-2738 (2010).
- Asati, A., Santra, S., Kaittanis, C., Perez, J. M. Surface-charge-dependent cell localization and cytotoxicity of cerium oxide nanoparticles. ACS nano. 4, 5321-5331 (2010).
- Li, J., Wu, H., Santana, I., Fahlgren, M., Giraldo, J. P. Standoff optical glucose sensing in photosynthetic organisms by a quantum dot fluorescent probe. ACS Applied Materials & Interfaces. , (2018).
- Wu, H., Shabala, L., Shabala, S., Giraldo, J. P. Hydroxyl radical scavenging by cerium oxide nanoparticles improves Arabidopsis salinity tolerance by enhancing leaf mesophyll potassium retention. Environmental Science: Nano. 5 (7), 1567-1583 (2018).
- Merad-Boudia, M., Nicole, A., Santiard-Baron, D., Saillé, C., Ceballos-Picot, I. Mitochondrial impairment as an early event in the process of apoptosis induced by glutathione depletion in neuronal cells: Relevance to Parkinson’s disease. Biochemical Pharmacology. 56 (5), 645-655 (1998).
- Zhao, H., et al. Detection and characterization of the product of hydroethidine and intracellular superoxide by HPLC and limitations of fluorescence. Proceedings of the National Academy of Sciences. 102 (16), 5727-5732 (2005).
- Sun, C., Li, H., Chen, L. Nanostructured ceria-based materials: synthesis, properties, and applications. Energy & Environmental Science. 5 (9), 8475 (2012).
- Hirano, M., Inagaki, M. Preparation of monodispersed cerium(iv) oxide particles by thermal hydrolysis: influence of the presence of urea and Gd doping on their morphology and growth. Journal of Materials Chemistry. 10 (2), 473-477 (2000).
- Xi, D. M., Liu, W. S., Yang, G. D., Wu, C. A., Zheng, C. C. Seed-specific overexpression of antioxidant genes in Arabidopsis enhances oxidative stress tolerance during germination and early seedling growth. Plant Biotechnology Journal. 8 (7), 796-806 (2010).
- Wu, H., Santana, I., Dansie, J., Vivo Giraldo, J. P. In Vivo delivery of nanoparticles into plant leaves. Current Protocols in Chemical Biology. 9 (4), 269-284 (2017).
- Fukushima, K., Hasebe, M. Adaxial-abaxial polarity: The developmental basis of leaf shape diversity. Genesis. 52 (1), 1-18 (2014).
- Monda, K., et al. Enhanced stomatal conductance by a spontaneous Arabidopsis tetraploid, Me-o, results from increased stomatal size and greater stomatal aperture. Plant physiology. 170 (3), 1435-1444 (2016).
- Petrov, V., Hille, J., Mueller-Roeber, B., Gechev, T. S. ROS-mediated abiotic stress-induced programmed cell death in plants. Frontiers in Plant Science. 6, 1-16 (2015).
- Chaves, M. M., Flexas, J., Pinheiro, C. Photosynthesis under drought and salt stress: regulation mechanisms from whole plant to cell. Annals of Botany. 103 (4), 551-560 (2009).
