Method Article
Wir beschreiben einen Ansatz zur Messung von Veränderungen der photosynthetischen Effizienz in Pflanzen nach Behandlung mit niedrigemCO2 mittels Chlorophyllfluoreszenz.
Photosynthese und Photorespiration stellen die größten Kohlenstoffflüsse im pflanzlichen Primärstoffwechsel dar und sind für das Überleben der Pflanzen notwendig. Viele der Enzyme und Gene, die für die Photosynthese und Photorespiration wichtig sind, sind seit Jahrzehnten gut untersucht, aber einige Aspekte dieser biochemischen Wege und ihre Wechselwirkung mit mehreren subzellulären Prozessen sind noch nicht vollständig verstanden. Ein Großteil der Arbeit, die die Gene und Proteine identifiziert hat, die für den Pflanzenstoffwechsel wichtig sind, wurde unter streng kontrollierten Umgebungen durchgeführt, die möglicherweise nicht am besten darstellen, wie Photosynthese und Photorespiration in natürlichen und landwirtschaftlichen Umgebungen funktionieren. In Anbetracht der Tatsache, dass abiotischer Stress zu einer Beeinträchtigung der photosynthetischen Effizienz führt, ist die Entwicklung eines Hochdurchsatz-Screens erforderlich, der sowohl abiotischen Stress als auch seine Auswirkungen auf die Photosynthese überwachen kann.
Daher haben wir eine relativ schnelle Methode entwickelt, um nach abiotischen stressinduzierten Veränderungen der photosynthetischen Effizienz zu suchen, die nicht charakterisierte Gene mit Rollen bei der Photorespiration mithilfe von Chlorophyllfluoreszenzanalyse und niedrigem CO2-Screening identifizieren kann. Dieser Artikel beschreibt eine Methode zur Untersuchung von Veränderungen der photosynthetischen Effizienz in transferierten DNA (T-DNA) Knockout-Mutanten in Arabidopsis thaliana. Die gleiche Methode kann für das Screening von Ethylmethansulfonat (EMS)-induzierten Mutanten oder Suppressor-Screening verwendet werden. Mit dieser Methode können Genkandidaten für weitere Studien im pflanzlichen Primärstoffwechsel und in abiotischen Stressreaktionen identifiziert werden. Daten aus dieser Methode können Einblicke in die Genfunktion geben, die möglicherweise erst erkannt werden, wenn sie erhöhten Stressumgebungen ausgesetzt sind.
Abiotische Stressbedingungen, die häufig auf den Feldern von Landwirten auftreten, können sich negativ auf die Ernteerträge auswirken, indem sie die photosynthetische Effizienz verringern. Schädliche Umweltbedingungen wie Hitzewellen, Klimawandel, Dürre und Bodensalzgehalt können abiotische Belastungen verursachen, die die Verfügbarkeit von CO2 verändern und die Reaktion einer Pflanze auf hohen Lichtstress verringern. Die beiden größten terrestrischen Kohlenstoffflüsse sind Photosynthese und Photorespiration, die für das Pflanzenwachstum und die Ernteerträge unerlässlich sind. Viele der wichtigen Proteine und Enzyme, die an diesen Prozessen beteiligt sind, wurden unter Laborbedingungen charakterisiert und auf genetischer Ebeneidentifiziert 1. Obwohl große Fortschritte beim Verständnis der Photosynthese und Photorespiration erzielt wurden, bleiben viele Schritte, einschließlich des Transports zwischen Pflanzenorganellen, uncharakterisiert 2,3.
Die Photorespiration, der zweitgrößte Kohlenstofffluss in Pflanzen nach der Photosynthese, beginnt, wenn das Enzym Rubisco Sauerstoff anstelle von Kohlendioxid zu Ribulose-1,5-Bisphosphat (RuBP) fixiert und die hemmende Verbindung 2-Phosphoglycolat (2PG)1 erzeugt. Um die hemmende Wirkung von 2PG zu minimieren und den zuvor gebundenen Kohlenstoff zu recyceln, haben C3-Pflanzen den multiorganellaren Prozess der Photorespiration entwickelt. Die Photorespiration wandelt zwei Moleküle von 2PG in ein Molekül 3-Phosphoglycerat (3PGA) um, das wieder in den C3-Kohlenstofffixierungszykluseintreten kann 1. So wandelt die Photorespiration nur 75% des zuvor fixierten Kohlenstoffs aus der Erzeugung von 2PG um und verbraucht dabei ATP. Infolgedessen ist der Prozess der Photorespiration eine signifikante Belastung des photosynthetischen Prozesses von 10% -50%, abhängig von der Wasserverfügbarkeit und den Temperaturen in der Vegetationsperiode4.
Die an der Photorespiration beteiligten Enzyme sind seit Jahrzehnten ein Forschungsschwerpunkt, aber nur wenige Transportproteine wurden auf genetischer Ebene charakterisiert, obwohl mindestens 25 Transportschritte am Prozess beteiligt sind 5,6,7. Die beiden Transportproteine, die direkt an der Bewegung des bei der Photorespiration erzeugten Kohlenstoffs beteiligt sind, sind der plastidische Glykolat/Glycerat-Transporter PLGG1 und der Gallensäure-Natriumsymporter BASS6, die beide am Export von Glykolat aus dem Chloroplasten 5,6 beteiligt sind.
Unter Umgebungstemperatur [CO2] fixiert Rubisco ein Sauerstoffmolekül in etwa 20% der Fälle an RuBP1. Wenn Pflanzen niedrigem [CO 2] ausgesetzt sind, steigt die Photorespirationsrate, was ein niedriges [CO2] zu einer idealen Umgebung macht, um auf Mutanten zu testen, die unter erhöhtem Photorespirationsstress wichtig sein können. Das Testen zusätzlicher mutmaßlicher Chloroplasten-Transportprotein-T-DNA-Linien unter niedrigemCO2 für 24 h und die Messung von Veränderungen der Chlorophyllfluoreszenz führten zur Identifizierung von bass6-1-Pflanzenlinien, die einen Photorespirationsmutanten-Phänotyp5 zeigten. Eine weitere Charakterisierung zeigte, dass BASS6 ein Glykolattransporter in der inneren Membran des Chloroplasten ist.
Dieser Artikel beschreibt detailliert ein Protokoll, das dem ähnelt, das ursprünglich zur Identifizierung von BASS6 als Photorespirationstransporter verwendet wurde, das aus einer Liste mutmaßlicher Transportproteine stammt, die sich innerhalb der Chloroplastenmembran befinden8 Dieses Protokoll kann in einem Hochdurchsatzexperiment zur Charakterisierung von Arabidopsis-T-DNA-Mutanten oder EMS-generierten mutierten Pflanzen verwendet werden, um Gene zu identifizieren, die für die Aufrechterhaltung der photosynthetischen Effizienz unter einer Reihe von abiotischen Belastungen wie Hitze wichtig sind. hohe Lichtbelastung, Trockenheit und CO2 -Verfügbarkeit. Das Screening von Pflanzenmutanten mittels Chlorophyllfluoreszenz wurde in der Vergangenheit verwendet, um schnell Gene zu identifizieren, die für den Primärstoffwechsel wichtigsind 9. Da bis zu 30% des Arabidopsis-Genoms Gene enthalten, die für Proteine mit unbekannter oder schlecht charakterisierter Funktion kodieren, könnte die stressinduzierte Analyse der photosynthetischen Effizienz Einblicke in molekulare Funktionen geben, die unter kontrollierten Bedingungen in mutierten Pflanzen nicht beobachtet werden10. Ziel dieser Methode ist es, Mutanten des photorespiratorischen Weges mittels einesCO2-armen Screenings zu identifizieren. Wir stellen eine Methode vor, um Mutanten zu identifizieren, die die Photorespiration nach Exposition gegenüber niedrigemCO2 stören. Ein Vorteil dieser Methode ist, dass es sich um ein Hochdurchsatz-Screening für Sämlinge handelt, das in relativ kurzer Zeit durchgeführt werden kann. Die Videoprotokollabschnitte enthalten Details zur Saatgutvorbereitung und -sterilisation, zum Pflanzenwachstum und zur Behandlung mit niedrigemCO2-Wert , zur Konfiguration des Fluoreszenzbildgebungssystems, zur Messung der Quantenausbeute der behandelten Proben, zu repräsentativen Ergebnissen und zu Schlussfolgerungen.
1. Saatgutaufbereitung und Sterilisation
HINWEIS: Die Saatgutvorbereitung besteht aus Saatgutaufnahme und Saatgutsterilisation. Es ist wichtig zu beachten, dass alle diese Schritte in einer Laminar-Flow-Haube durchgeführt werden müssen, um sterile Bedingungen aufrechtzuerhalten. Alle notwendigen Materialien, Reagenzien und Wachstumsmedien müssen autoklaviert werden (siehe Materialtabelle).
2. Pflanzenwachstum undCO2-arme Behandlung
3. Konfiguration des Fluoreszenzbildgebungssystems
4. Entwerfen Sie das Quantenausbeuteprogramm
5. Messung der Quantenausbeute der behandelten Proben
6. Öffnen der Datendatei
Die Ergebnisse zeigen Plattenbilder von Roh- und Fluoreszenzbildern aus dem Umgebungs- undCO2-Screening von WT- und Testmutanten. Jedes Pflänzchen ist nach Flächennummer gekennzeichnet, wobei die entsprechenden Fluoreszenzwerte als QY angegeben werden. Die Daten werden als Textdatei exportiert und können zur Analyse in einer Tabelle geöffnet werden (siehe Zusatztabelle S1). Die Mutantenlinien plgg1-1 und abcb26 wurden ausgewählt, um die positive und negative Identifizierung von Genen zu demonstrieren, die mit photorespiratorischem Stress assoziiert sind. PLGG1 kodiert für den ersten Transporter im Weg nach der Oxygenierung von RuBP6, während ABCB26 vermutlich für einen Antigentransporter kodiert, von dem nicht bekannt ist, dass er an der Photorespirationbeteiligt ist 11. Die dunkeladaptierten Fv/Fm QY-Wirkungsgrade von WT und Mutanten werden durch Box- und Whisker-Plots visualisiert. Um den statistischen Unterschied zwischen den WT- und Testmutanten zu testen, wurde ein paarweiser t-Test mit einem p-Wert < 0,05 verwendet. Hier haben wir photorespiratorische Mutantenlinien mit reduziertem QY Fv/Fm als Testmutanten verwendet, um die Effizienz der Screening-Methode zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Testmutanten einen signifikant niedrigeren QY-Wirkungsgrad als WT aufweisen. Abbildung 3B zeigt eine signifikante Reduktion des Verhältnisses von variabler zu maximaler Fluoreszenz (Fv/Fm) für plgg1-1 , aber nicht abcb26 bei niedrigemCO2. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit der Rolle von PLGG1 als Transporter, der an der Photorespiration beteiligt ist, während abcb26 keinen Phänotyp zeigt, der sich von der WT-Kontrolle unter niedrigen CO2-Bedingungen unterscheidet. Somit kann diese Screening-Methode photorespiratorische Mutanten mittels CO2-niedrigemCO2-Screening identifizieren.
Abbildung 1: Beispielschema des Säplattenlayouts. Es werden zwei technische Replikate mit sechs Samen in einer Reihe gezeigt. WT-Kontrollsamen, die über mutierten Samen platziert werden. Abkürzung: WT = Wildtyp. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: Dunkel angepasste Fv/Fm Bilder von 9 Tage alten Sämlingen. Die Wildtyp-Kontrolle wird mit T-DNA-Mutantenlinien bei Umgebungs- und niedrigemCO2-Gehalt verglichen. Die Farbskala stellt den Durchschnitt Fv/Fm jedes Sämlings dar. Maßstabsbalken = 1 cm. Abkürzungen: Fv/Fm = Verhältnis von variabler zu maximaler Fluoreszenz; WT = Wildtyp; plgg1-1 = plastidaler Glykolat/Glycerat-Translokator 1; abcb26 = ATP-bindende Kassette B26. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Fluoreszenzbeobachtungen. Messungen der maximalen Quantenausbeute (Fv/Fm) an Sämlingen unter (A) Umgebungs- und (B) niedrigen CO2-Bedingungen . Die Kästchen stellen den Bereich zwischen den inneren Quartilen dar, die Linien innerhalb der Kästchen stellen die Mediane dar und die Schnurrhaare repräsentieren die maximalen und minimalen Beobachtungen. * Zeigt einen signifikanten Unterschied basierend auf einem paarweisen t-Test relativ zu WT (n > 44, p < 0,05; Zusatztabelle S2). Abkürzungen: Fv/Fm = Verhältnis von variabler zu maximaler Fluoreszenz; WT = Wildtyp; plgg1-1 = plastidaler Glykolat/Glycerat-Translokator 1; abcb26 = ATP-bindende Kassette B26. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Zusatztabelle S1: Zusammengestellte Fluoreszenzdaten von allen im Experiment verwendeten Keimlingplatten. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Zusatztabelle S2: Statistiken werden aus einem t-Test zwischen Wildtyp und beiden mutierten Genotypen berichtet. Mutanten unterscheiden sich signifikant vom Wildtyp, wenn der p-Wert niedriger als 0,05 ist. Tabelle A stellt t-Tests dar, die an Pflanzen durchgeführt werden, die in CO2-Umgebungstemperatur angebaut wurden, während Tabelle B t-Tests an Pflanzen mit niedrigemCO2-Gehalt darstellt. t-Test: Zwei-Stichproben unter der Annahme gleicher Varianzen. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Die in diesem Artikel beschriebenen experimentellen Methoden haben einige Vorteile und Einschränkungen. Ein Vorteil ist, dass diese Methode viele Pflanzensämlinge untersuchen kann, obwohl einige Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden müssen, um eine Kontamination der Pflanzenmedienplatte während des Galvanisierungs- und Wachstumsprozesses zu verhindern. Daher ist es wichtig, die Arabidopsis-Platten mit chirurgischem Klebeband zu versiegeln. Ein weiterer Vorteil dieses Experiments ist, dass es eine kürzere photorespiratorische Stressperiode von 12 h im Vergleich zur zuvor veröffentlichten Arbeithat 8. Die Verkürzung der Behandlungszeit sollte Unterschiede in Fv / Fm zwischen der WT und ausgewählten Mutanten besser unterscheiden. Die Behandlungszeit muss möglicherweise in Abhängigkeit von der Schwere des Phänotyps bei mutierten Stämmen und dem CO2-Gehalt im Versuchsaufbau variiert werden. Eine Einschränkung besteht jedoch darin, dass diese Methode eine Blattfläche benötigt, die groß genug ist, damit das Fluorometer messen und Fv/Fm-Werte berechnen kann. Durch die Anpassung der anfänglichen Wachstumszeit der getesteten Sämlinge wird sichergestellt, dass der Fluorometer-Imager über eine ausreichende Blattfläche verfügt, um für jeden Sämling zu messen, ohne dass sich die Blätter während der Bildgebung überlappen. Die Sämlinge müssen an den ersten echten Blättern abgebildet werden, um die Blattgröße und die Blattwinkel einheitlich zu halten. Die Auflösung des Bildes kann durch Erhöhung der Verschlusszeit und Empfindlichkeit der Kamera verbessert werden. Benachbarte Pixel werden besser unterschieden; Eine zu starke Erhöhung der Empfindlichkeit führt jedoch zu einer Überbelichtung der Kamera und zu falschen Fluoreszenzmaxima. Eine Optimierung und Fehlerbehebung kann erforderlich sein, um die Auflösungs- und Fluoreszenzwerte auszugleichen.
Die Fähigkeit, in einem standardisierten Verfahren nach photosynthetischen Mutanten zu suchen, ist wichtig. Es kann eine konsistente Hochdurchsatzmethode ermöglichen, um Photorespirationsmutanten mit Genen zu identifizieren, die für die Photosynthese und den Photorespirationsstoffwechsel von Interesse sind. Insgesamt dauert das Screening auf Fv / Fm in dieser Analyse etwa 30 s pro Platte von Pflanzensämlingen, was das Screening von über 1.000 Sämlingen pro Tag ermöglicht. Die Chlorophyllfluoreszenzanalyse ermöglicht die Identifizierung photorespiratorischer Mutanten mit einemCO2-niedrigen Screening, was für die Aufrechterhaltung der photorespiratorischen Effizienz wichtig ist. Angesichts der großen Anzahl unbekannter Transporter, die sich theoretisch im Photorespirationsweg3 befinden, kann diese Methode verwendet werden, um die Auswirkungen des Genotyps auf die photosynthetische Effizienz schnell zu bewerten. Darüber hinaus können Fluorometer andere Aspekte der photosynthetischen Effizienz messen, wie z. B. das nicht-photochemische Abschrecken und die Betriebseffizienz des Photosystems II. Diese zusätzlichen Protokolle dauern pro Keimlingsplatte länger, könnten aber im Gegensatz zu diesem schnellen Hochdurchsatz-Screening von Mutanten für weitere und empfindlichere Analysen verwendet werden. Diese Methode ist nicht auf Arabidopsis beschränkt und kann auch angepasst werden, um nach T-DNA-Mutanten in einer Reihe anderer abiotischer Stressbedingungen wie hohe und niedrige Temperaturen, hoher Lichtstress und Dürrebedingungen zu suchen, um Gene zu identifizieren, die für die Photosynthese und Photorespiration wichtig sind. Zusätzliche Modifikationen müssten individuell optimiert werden.
Die Autoren haben keine konkurrierenden finanziellen Interessen oder Interessenkonflikte.
Diese Forschung wurde vom Louisiana Board of Regents (AWD-AM210544) finanziert.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.5 mL microcentrifuge tube | VWR | 10810-070 | container for seed sterilization |
agarose | VWR | 9012-36-6 | chemical used to suspend seeds for ease of plating |
Arabidopsis thaliana seeds (abcb26) | ABRC, ordered through TAIR www.arabidopsis.org | SALK_085232 | arabidopsis seeds used as experimental group |
Arabidopsis thaliana seeds (plgg1-1) | ABRC, ordered through TAIR www.arabidopsis.org | SALK_053469C | parental arabidopsis seeds |
Arabidopsis thaliana seeds (WT) | ABRC, ordered through TAIR www.arabidopsis.org | Col-0 | arabidopsis wild type seeds used as a control group |
bleach | clorox | generic bleach | chemical used to sterilize seeds |
Carbolime absorbent | Medline products | S232-104-001 | CO2 absorbent |
Closed FluorCam | Photon Systems Instruments | FC 800-C | Fluorescence imager |
FluoroCam FC 800-C | Photon Systems Instruments | Closed FluorCam FC 800-C/1010-S | Fluorescence imager |
FluoroCam7 | Photon Systems Instruments | Closed FluorCam FC 800-C/1010-S | Fluorescence image analysis software |
Gelzan (plant agar) | Phytotech labs | 71010-52-1 | chemical used to solidify MS media as plates |
glass flask 1 L | Fisherbrand | FB5011000 | container for making and autoclaving MS media |
growth chamber | caron | 7317-50-2 | growth chamber used to grow plants |
Murashige & Skoog Basal Medium with Vitamins & 1.0 g/L MES (MS) | Phytotech labs | M5531 | growth media for arabidopsis seedlings |
potassium Hydroxide (KOH) | Phytotech labs | 1310-58-3 | make as 1 M solution for ph adjustment |
spider lights | Mean Well Enterprises | XLG-100-H-AB | lights used in the light assay |
Square Petri Dish with Grid, sterile | Simport Scientific | D21016 | used to hold MS media for arabidopsis seedlings |
surgical tape | 3M | 1530-1 | tape used to seal plates |
tween 20 | biorad | 9005-64-5 | surfactant used to assist seed sterilization |
Genehmigung beantragen, um den Text oder die Abbildungen dieses JoVE-Artikels zu verwenden
Genehmigung beantragenThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Alle Rechte vorbehalten