Summary

Katalytisk Scavenging plante reaktive ilt arter In Vivo af anioniske Cerium oxid nanopartikler

Published: August 26, 2018
doi:

Summary

Vi præsenterer her, en protokol til syntese og karakterisering af cerium oxid nanopartikler (nanoceria) for ROS (reaktiv ilt arter) Gaderenovation i vivo, nanoceria imaging i plantevæv ved Konfokal mikroskopi og i vivo overvågning af nanoceria ROS scavenging af Konfokal mikroskopi.

Abstract

Reaktive ilt arter (ROS) akkumulering er kendetegnende for anlægget abiotisk stressrespons. ROS spiller en dobbelt rolle i planter ved at fungere som signalering molekyler på lavt niveau og beskadige molekyler på højt niveau. Ophobning af ROS i stressede planter kan beskadige metabolitter, enzymer, lipider og DNA, forårsager en reduktion af planternes vækst og udbytte. Evnen af cerium oxid nanopartikler (nanoceria) til katalytisk skyllepumpetab ROS i vivo giver et unikt værktøj til at forstå og bioengineer plante abiotisk stresstolerance. Vi præsenterer her, en protokol for at syntetisere og karakterisere poly (akryl) syre coated nanoceria (PNC), interface nanopartikler med planter via blad lamina infiltration og overvåger deres distribution og ROS Gaderenovation i vivo bruger Konfokal mikroskopi. Nuværende molekylære værktøjer til at manipulere ROS ophobning i planter er begrænset til model arter og kræve omstændelig transformation metoder. Denne protokol for i vivo ROS scavenging har potentiale til at blive anvendt til vildtype planter med brede blade og blade struktur som Arabidopsis thaliana.

Introduction

Cerium oxid nanopartikler (nanoceria) er udbredt i levende organismer, fra grundforskning til bioteknologi, på grund af deres forskellige katalytisk reaktive ilt arter (ROS) skylleluften evne1,2,3. Nanoceria har ROS scavenging evner på grund af et stort antal overflade ilt ledige stillinger, der veksler mellem to oxidation stater (CE-3 + og CE-4 +) 4,5,6. CE-3 + dinglende obligationer skyllepumpetab effektivt ROS mens gitter stammer på nanoplan fremme regenerering af disse defekt websteder via redox cykling reaktioner7. Nanoceria har også været brugt for nylig for at studere og engineering plant funktion8,9. Planter under abiotisk stress opleve ophobning af ROS, forårsager oxidative skader på lipider, proteiner og DNA10. I A. thaliana planter fører nanoceria katalytisk scavenging ROS i vivo til forbedret plante fotosyntese under høj lys, varme og nedkøling understreger8. Anvende nanoceria til jord også øger skyde biomasse, og korn udbytte af hvede (Triticum aestivum)11; raps (Brassica napus) planter behandlet med nanoceria har højere plantebiomasse under salt stress12.

Nanoceria tilbyder bioengineers og plante biologer en nanoteknologi-baseret værktøj til at forstå abiotisk stress svar og forbedre plante abiotisk stresstolerance. Nanocerias i vivo ROS skylleluften kapaciteter er uafhængige af plantearter, og den facile levering i plantevæv har potentiale til at aktiverer bred anvendelse uden for modelorganismer. Nanoceria kræver i modsætning til andre genetisk baserede metoder, ikke generere plante linjer med overekspression af antioxidant enzymer til højere ROS skylleluften evne13. Leaf lamina infiltration af nanoceria planter er en praktisk tilgang til lab-baseret forskning.

Det overordnede mål med denne protokol er at beskrive 1) syntese og karakterisering af negativt ladede poly (akryl) syre nanoceria (PNC), 2) for levering og sporing af PNC hele blad celler, og 3) overvågningen af PNC-aktiveret ROS skylleluften i vivo. I denne protokol, er negativt ladede poly (akryl) syre nanoceria (PNC) syntetiseret og karakteriseret ved deres absorptionsspektrum, hydrodynamiske diameter og zeta potentiale. Vi beskriver et simpelt blad lamina infiltration metode til at levere PNC til plante blad væv. For i vivo billeddannelse af nanopartikel fordeling inden for mesofyllet celler, blev et fluorescerende farvestof (DiI) brugt til at mærke PNC (DiI-PNC) og observere nanopartikler via Konfokal Fluorescens mikroskopi. Endelig, vi forklare hvordan man kan overvåge i vivo PNC ROS scavenging gennem Konfokal mikroskopi.

Protocol

1. voksende A. thaliana planter Soen A. thaliana frø i 5 cm x 5 cm engangs Potter fyldt med standard jord blanding. Sætte 32 af disse Potter i en plastik bakke fyldt med vand (~ 0,5 cm dybde) og overføre den plast bakke med planterne ind i en plante vækst kammer. Indstille væksten kammer indstillinger som følger: 200 µmol/ms fotosyntetiske aktive stråling (PARI), 24 ± 1 ° C dag og 21 ± 1 ° C natten, 60% fugtighed og 14/10 h dag/nat lys regime, henholdsvis. …

Representative Results

PNC syntese og karakterisering .PNC blev syntetiseret, renset og karakteriseret følgende metoden beskrevet i protokollen afsnit 2. Figur 1 A viser farvning af løsninger af cerium nitrat, PAA, blandingen af cerium nitrat og PAA og PNC. Et farveskift fra hvid til lys gul er set efter PNC er syntetiseret. Efter rensning med en 10 kDa filter, PNC blev præget med en UV-VIS Spektrofotometer. Et høj…

Discussion

I denne protokol beskriver vi PNC syntese, karakterisering, fluorescerende farvestof mærkning og konfokal billeddannelse af nanopartikler i mesofyllet planteceller til at udstille deres i vivo ROS skylleluften aktivitet. PNC er syntetiseret fra en blanding af cerium nitrat og PAA løsning i ammoniumhydroxid. PNC er karakteriseret ved absorption spectrophotomery og koncentrationen bestemmes ved hjælp af øl-Lamberts lov. Zeta potentielle målinger bekræftet PNC negativt ladede overflade for at øge levering ti…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af University of California, Riverside og USDA National Institute for fødevarer og landbrug, Hatch projektet 1009710 til J.P.G. Dette materiale er baseret på arbejde støttet af National Science Foundation under Grant nr. 1817363 til 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

  1. Xu, C., Qu, X. Cerium oxide nanoparticle: A remarkably versatile rare earth nanomaterial for biological applications. NPG Asia Materials. 6 (3), 90-116 (2014).
  2. Nelson, B., Johnson, M., Walker, M., Riley, K., Sims, C. Antioxidant cerium oxide nanoparticles in biology and medicine. Antioxidants. 5 (2), 15 (2016).
  3. 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).
  4. Walkey, C., et al. Catalytic properties and biomedical applications of cerium oxide nanoparticles. Environ. Sci.: Nano. 2 (1), 33-53 (2015).
  5. Pulido-Reyes, G., et al. Untangling the biological effects of cerium oxide nanoparticles: the role of surface valence states. Scientific reports. 5, 15613 (2015).
  6. Dutta, P., et al. Concentration of Ce3+ and oxygen vacancies in cerium oxide nanoparticles. Chemistry of Materials. 18 (21), 5144-5146 (2006).
  7. Boghossian, A. A., et al. Application of nanoparticle antioxidants to enable hyperstable chloroplasts for solar energy harvesting. Advanced Energy Materials. 3, 881-893 (2013).
  8. 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).
  9. Giraldo, J. P., et al. Plant nanobionics approach to augment photosynthesis and biochemical sensing. Nature Materials. 13 (4), 400-408 (2014).
  10. Demidchik, V. Mechanisms of oxidative stress in plants: From classical chemistry to cell biology. Environmental and Experimental Botany. 109, 212-228 (2015).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Wu, H., et al. Developing and validating a high-throughput assay for salinity tissue tolerance in wheat and barley. Planta. , (2015).
  15. Pirmohamed, T., et al. Nanoceria exhibit redox state-dependent catalase mimetic activity. Chemical communications. 46 (16), 2736-2738 (2010).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Sun, C., Li, H., Chen, L. Nanostructured ceria-based materials: synthesis, properties, and applications. Energy & Environmental Science. 5 (9), 8475 (2012).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Fukushima, K., Hasebe, M. Adaxial-abaxial polarity: The developmental basis of leaf shape diversity. Genesis. 52 (1), 1-18 (2014).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).

Play Video

Cite This Article
Newkirk, G. M., Wu, H., Santana, I., Giraldo, J. P. Catalytic Scavenging of Plant Reactive Oxygen Species In Vivo by Anionic Cerium Oxide Nanoparticles. J. Vis. Exp. (138), e58373, doi:10.3791/58373 (2018).

View Video