Anyonik Seryum oksit nano tanecikleri tarafından bitki reaktif oksijen türleri içinde Vivo katalitik kayıt atma
Summary
Burada, malzemelerin ve Seryum oksit nano tanecikleri (nanoceria) (reaktif oksijen türlerine) için için bir protokol atılmasını vivo içindebitki dokularda düşsel confocal mikroskobu ve in vivo tarafından nanoceria mevcut nanoceria ROS tarafından confocal mikroskobu atma izleme.
Abstract
Reaktif oksijen türleri (ROS) birikimi bitki abiyotik stres tepkisi bir özelliğidir. ROS bitkilerde sinyal molekülleri düşük seviyelerde ve yüksek düzeyde moleküller zarar olarak hareket ederek ikili bir rol oynar. ROS birikimi stresli bitki metabolitleri, enzim, lipidler ve bitki büyüme ve verim azalması neden DNA, zarar verebilir. Seryum oksit nano tanecikleri (nanoceria) catalytically ROS vivo içinde çöpçülük yeteneğini anlamak için benzersiz aracı ve genetiğinin bitki abiyotik stres toleransı sağlar. Burada, sentez ve poli (Akrilik) asit kaplı nanoceria (PNC) karakterize, nano tanecikleri ile bitkilerin yaprak lamina sızma yolu ile arayüzü ve kendi dağıtım ve ROS atılmasını vivo içinde confocal kullanarak izlemek için bir iletişim kuralı mevcut mikroskobu. ROS birikimi tesislerinde değiştirmek için geçerli moleküler araç modeli türleri için sınırlıdır ve zahmetli dönüştürme yöntemleri gerektirir. Vivo ROS atma bu protokol vahşi türü bitkiler ile geniş yaprakları ve yaprak yapı Arabidopsis thalianagibi uygulanmak üzere potansiyeline sahiptir.
Introduction
Seryum oksit nano tanecikleri (nanoceria) canlı organizmalar, biyomühendislik, yetenek1,2,3atma onların ayrı katalitik reaktif oksijen türleri (ROS) nedeniyle için temel araştırma, yaygın olarak kullanılır. Çok sayıda iki oksidasyon Birleşik Devletleri (Ce3 + ve Ce4 +) 4arasında,5,6alternatif yüzey oksijen açık pozisyonlar nedeniyle yeteneklerini atma ROS Nanoceria var. Kafes suşları nano, redoks reaksiyonları7Bisiklete binme aracılığıyla bu kusur sitelerin rejenerasyon teşvik ederken Ce3 + sarkan tahvil ROS etkili bir şekilde at. Nanoceria da son zamanlarda kullanılan eğitim için ve mühendislik bitki işlevi8,9. Bitkiler abiyotik stres altında ROS, yağlar, proteinler ve DNA10oksidatif hasara sebep birikimi deneyimi. A. thaliana bitkilerde nanoceria ROS vivo içinde katalitik atma geliştirilmiş bitki fotosentez yüksek ışık, ısı ve soğutma gerilmeler8altında yol açar. Uygulanan nanoceria da artar ateş biyokütle ve tane verimi buğday (Triticum soğanı)11toprak; nanoceria ile tedavi Kolza (Brassica napus) bitkiler daha yüksek bitki biyokütle tuz stres12altında var.
Nanoceria bioengineers teklif ve biyologlar abiyotik stres yanıt-e doğru anlamak ve bitki abiyotik stres toleransı geliştirmek için Nanoteknoloji tabanlı bir araç bitki. Nanoceria’nin vivo ROS atma yetenekleri bitki türlerinin bağımsızdır ve bitki doku içine facile teslim model organizmalar dışında geniş uygulama etkinleştirmek potansiyeline sahiptir. Genetik olarak tabanlı diğer yöntemlerinden farklı olarak, nanoceria bitki satırlar ile antioksidan enzimler overexpression daha yüksek ROS yetenek13atma için değil gerektirir. Nanoceria bitkilere yaprak lamina infiltrasyonu laboratuar tabanlı araştırma için pratik bir yaklaşımdır.
Bu iletişim kuralı genel amacı 1) sentezi ve karakterizasyonu olumsuz ücret poli (Akrilik) asit nanoceria (PNC), 2) teslim ve PNC yaprak hücreleri boyunca izleme ve 3) izleme PNC etkin ROS atma tarif etmektir Vivo. Bu protokol için olumsuz ücret poli (Akrilik) asit nanoceria (PNC) sentezlenmiş ve onların soğurma spektrumu, hidrodinamik çapı ve zeta potansiyel ile karakterize. PNC bitki yaprak dokuları sunmak için basit yaprak lamina infiltrasyon yöntemi açıklanmaktadır. Vivo içinde görüntüleme için mesophyll hücrelerin içindeki nanopartikül dağılımının, floresan boya (dıı) PNC (dıı-PNC) etiket ve nano tanecikleri confocal floresans mikroskobu ile gözlemlemek için kullanıldı. Son olarak, biz in vivo PNC ROS confocal mikroskobu atma izlemek nasıl açıklar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol için PNC sentezi, karakterizasyonu, floresan boya etiketleme ve in vivo ROS atma faaliyetlerini sergilemek için bitki mesophyll hücreleri içinde nano tanecikleri confocal görüntüleme açıklar. PNC Seryum nitrat ve PAA çözümde amonyum hidroksit karışımı üzerinden sentezledim. PNC emme spectrophotomery ve bira-Lamberts hukuk kullanarak kararlı konsantrasyon ile karakterizedir. Zeta potansiyel ölçümleri PNC olumsuz şarj edilmiş yüzey teslim kloroplast8artı…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser University of California, Riverside ve USDA Ulusal Enstitüsü Gıda ve tarım, Hatch projeye J.P.G. 1009710 tarafından desteklenmiştir Bu malzeme Grant No 1817363 J.P.G. için altında Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenen çalışma üzerine kuruludur
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).
