Method Article
Nous décrivons une approche pour mesurer les changements dans l’efficacité photosynthétique chez les plantes après un traitement à faible teneur en CO2 par fluorescence chlorophyllienne.
La photosynthèse et la photorespiration représentent les flux de carbone les plus importants dans le métabolisme primaire des plantes et sont nécessaires à la survie des plantes. De nombreuses enzymes et gènes importants pour la photosynthèse et la photorespiration ont été bien étudiés pendant des décennies, mais certains aspects de ces voies biochimiques et de leur diaphonie avec plusieurs processus subcellulaires ne sont pas encore entièrement compris. Une grande partie des travaux qui ont permis d’identifier les gènes et les protéines importants dans le métabolisme des plantes ont été menés dans des environnements hautement contrôlés qui ne représentent peut-être pas le mieux le fonctionnement de la photosynthèse et de la photorespiration dans des environnements naturels et agricoles. Étant donné que le stress abiotique entraîne une altération de l’efficacité photosynthétique, le développement d’un écran à haut débit capable de surveiller à la fois le stress abiotique et son impact sur la photosynthèse est nécessaire.
Par conséquent, nous avons développé une méthode relativement rapide pour dépister les changements de l’efficacité photosynthétique induits par le stress abiotique qui peut identifier les gènes non caractérisés ayant des rôles dans la photorespiration en utilisant l’analyse de fluorescence chlorophyllienne et le criblage à faible teneur en CO2 . Cet article décrit une méthode pour étudier les changements dans l’efficacité photosynthétique dans l’ADN transféré (ADN-T) des mutants knock-out chez Arabidopsis thaliana. La même méthode peut être utilisée pour le dépistage des mutants induits par le méthanesulfonate d’éthyle (EMS) ou le criblage suppresseur. L’utilisation de cette méthode peut identifier des gènes candidats pour une étude plus approfondie du métabolisme primaire des plantes et des réponses au stress abiotique. Les données de cette méthode peuvent fournir un aperçu de la fonction des gènes qui peut ne pas être reconnue avant l’exposition à des environnements de stress accrus.
Les conditions de stress abiotiques couramment observées dans les champs des agriculteurs peuvent avoir un impact négatif sur les rendements des cultures en réduisant l’efficacité photosynthétique. Les conditions environnementales néfastes telles que les vagues de chaleur, les changements climatiques, la sécheresse et la salinité du sol peuvent causer des stress abiotiques qui modifient la disponibilité du CO2 et réduisent la réponse d’une plante à un stress lumineux élevé. Les deux plus grands flux de carbone terrestres sont la photosynthèse et la photorespiration, qui sont essentielles à la croissance des plantes et aux rendements des cultures. Bon nombre des protéines et enzymes importantes impliquées dans ces processus ont été caractérisées dans des conditions de laboratoire et identifiées au niveau génétique1. Bien que beaucoup de progrès aient été réalisés dans la compréhension de la photosynthèse et de la photorespiration, de nombreuses étapes, y compris le transport entre organites végétaux, restent non caractérisées 2,3.
La photorespiration, le deuxième flux de carbone dans les plantes après la photosynthèse, commence lorsque l’enzyme Rubisco fixe l’oxygène au lieu du dioxyde de carbone au ribulose 1,5 bisphosphate (RuBP), générant le composé inhibiteur 2-phosphoglycolate (2PG)1. Pour minimiser les effets inhibiteurs de 2PG et recycler le carbone précédemment fixé, les plantes C3 ont développé le processus multi-organellaire de la photorespiration. La photorespiration convertit deux molécules de 2PG en une molécule de 3-phosphoglycérate (3PGA), qui peut réintégrer le cycle de fixation du carboneC3 1. Ainsi, la photorespiration ne convertit que 75% du carbone précédemment fixé à partir de la génération de 2PG et consomme de l’ATP dans le processus. En conséquence, le processus de photorespiration est un frein important de 10% à 50% sur le processus photosynthétique, en fonction de la disponibilité de l’eau et des températures de la saison de croissance4.
Les enzymes impliquées dans la photorespiration sont un domaine de recherche depuis des décennies, mais seul un petit nombre de protéines de transport ont été caractérisées au niveau génétique, même si au moins 25 étapes de transport sont impliquées dans le processus 5,6,7. Les deux protéines de transport qui sont directement impliquées dans le mouvement du carbone généré dans le processus de photorespiration sont le transporteur plastidique glycolate/glycérate PLGG1 et le symporteur de sodium d’acide biliaire BASS6, qui sont tous deux impliqués dans l’exportation du glycolate du chloroplaste 5,6.
Sous [CO2] ambiant, Rubisco fixe une molécule d’oxygène à RuBP environ 20% du temps1. Lorsque les plantes sont soumises à un faible [CO 2], les taux de photorespiration augmentent, ce qui fait d’un faible [CO2] un environnement idéal pour tester les mutants qui peuvent être importants sous un stress photorespiratoire élevé. Des tests de lignées d’ADN-T de protéines de transport de chloroplastes supplémentaires sous faible teneur en CO2 pendant 24 h et en mesurant les changements de fluorescence chlorophyllienne ont conduit à l’identification de lignées végétales bass6-1 qui ont démontré un phénotype5 mutant de photorespiration. Une caractérisation plus poussée a démontré que BASS6 est un transporteur de glycolate dans la membrane interne du chloroplaste.
Cet article décrit en détail un protocole similaire à celui qui a été initialement utilisé pour identifier BASS6 comme un transporteur de photorespiration, qui provenait d’une liste de protéines de transport putatives situées dans la membrane chloroplastique8 Ce protocole peut être utilisé dans une expérience à haut débit caractérisant les mutants de l’ADN-T d’Arabidopsis ou les plantes mutantes générées par EMS comme moyen d’identifier des gènes importants pour maintenir l’efficacité photosynthétique sous une gamme de stress abiotiques tels que la chaleur, stress lumineux élevé, sécheresse et disponibilité du CO2 . Le criblage de mutants végétaux par fluorescence chlorophyllienne a été utilisé dans le passé pour identifier rapidement des gènes importants pour le métabolisme primaire9. Avec jusqu’à 30% du génome d’Arabidopsis contenant des gènes codant pour des protéines de fonction inconnue ou mal caractérisées, l’analyse de l’efficacité photosynthétique induite par le stress pourrait fournir un aperçu des fonctions moléculaires non observées dans des conditions contrôlées chez les plantes mutantes10. Le but de cette méthode est d’identifier les mutants de la voie photorespiratoire en utilisant un criblage à faible teneur en CO2 . Nous présentons une méthode pour identifier les mutants qui perturbent la photorespiration après une exposition à un faible taux de CO2. Un avantage de cette méthode est qu’il s’agit d’un criblage à haut débit pour les semis qui peut être effectué dans un laps de temps relativement court. Les sections du protocole vidéo fournissent des détails sur la préparation et la stérilisation des semences, la croissance des plantes et le traitement à faible teneur en CO2 , la configuration du système d’imagerie par fluorescence, la mesure du rendement quantique des échantillons traités, les résultats représentatifs et les conclusions.
1. Préparation et stérilisation des semences
NOTE: La préparation des semences consiste en l’absorption et la stérilisation des semences. Il est important de noter que toutes ces étapes doivent être effectuées dans une hotte à flux laminaire pour maintenir des conditions stériles. Tous les matériaux, réactifs et milieux de croissance nécessaires doivent être autoclavés (voir le tableau des matériaux).
2. Croissance des plantes et faible traitement au CO2
3. Configuration du système d’imagerie par fluorescence
4. Concevoir le programme de rendement quantique
5. Mesure du rendement quantique des échantillons traités
6. Ouverture du fichier de données
Les résultats montrent des images sur plaque d’images brutes et de fluorescence provenant du criblage ambiant et à faible teneur en CO2 des mutants WT et testés. Chaque plantule est étiquetée par numéro de zone, avec les lectures de fluorescence correspondantes données en QY. Les données sont exportées sous forme de fichier texte et peuvent être ouvertes dans une feuille de calcul pour analyse (voir le tableau supplémentaire S1). Les lignées mutantes plgg1-1 et abcb26 ont été sélectionnées pour démontrer l’identification positive et négative des gènes associés au stress photorespiratoire. PLGG1 code pour le premier transporteur dans la voie après l’oxygénation de RuBP6, tandis que ABCB26 est censé coder pour un transporteur d’antigène non connu pour être impliqué dans la photorespiration11. Les efficacités Fv/Fm QY adaptées à l’obscurité de WT et des mutants sont visualisées par des diagrammes de boîtes et de moustaches. Pour tester la différence statistique entre les mutants WT et test, un test t par paires a été utilisé avec une valeur de p < 0,05. Ici, nous avons utilisé des lignées photorespiratoires mutantes avec un QY Fv/Fm réduit comme mutants de test pour vérifier l’efficacité de la méthode de dépistage. Les résultats montrent que les mutants testés ont une efficacité QY significativement inférieure à celle de WT. La figure 3B montre une réduction significative du rapport entre la fluorescence variable et maximale (Fv/Fm) pour plgg1-1 mais pas abcb26 à faible CO2. Ce résultat est cohérent avec le rôle de PLGG1 en tant que transporteur impliqué dans la photorespiration, tandis que abcb26 ne démontre pas de phénotype différent du contrôle WT dans des conditions de faible teneur en CO2 . Ainsi, cette méthode de dépistage permet d’identifier les mutants photorespiratoires en utilisant un criblage à faible teneur en CO2 .
Figure 1 : Exemple de schéma de la disposition de la plaque de semence. Deux répliques techniques sont montrées avec six graines placées dans une rangée. WT contrôle les graines placées au-dessus des graines mutantes. Abréviation : WT = type sauvage. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Images Fv/Fm adaptées à l’obscurité de semis âgés de 9 jours. Le contrôle de type sauvage est comparé aux lignées mutantes de l’ADN-T à température ambiante et à faible teneur en CO2. L’échelle de couleurs représente la moyenne Fv/Fm de chaque plantule. Barre d’échelle = 1 cm. Abréviations : Fv/Fm = rapport entre la fluorescence variable et la fluorescence maximale; WT = type sauvage; PLGG1-1 = Glycolate/glycérate plastidal translocateur 1; abcb26 = Cassette de liaison ATP B26. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Observations de fluorescence. Mesures de rendement quantique maximal (Fv/Fm) effectuées sur des semis dans des conditions (A) ambiantes et (B) faibles en CO2. Les cases représentent la plage entre les quartiles intérieurs, les lignes à l’intérieur des boîtes représentent les médianes et les moustaches représentent les observations maximales et minimales. * Indique une différence significative basée sur un test t par paires par rapport à WT (n > 44, p < 0,05; Tableau supplémentaire S2). Abréviations : Fv/Fm = rapport entre la fluorescence variable et la fluorescence maximale; WT = type sauvage; PLGG1-1 = Glycolate/glycérate plastidal translocateur 1; abcb26 = Cassette de liaison ATP B26. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Tableau supplémentaire S1 : Données fluorescentes compilées à partir de toutes les plaques de semis utilisées dans l’expérience. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Tableau supplémentaire S2 : Les statistiques sont rapportées à partir d’un test t entre le type sauvage et les deux génotypes mutants. Les mutants sont considérés comme significativement différents du type sauvage lorsque la valeur de p est inférieure à 0,05. Le tableau A représente les tests t effectués sur des plantes cultivées dans des conditions ambiantes de CO 2, tandis que le tableau B représente les tests t effectués sur des végétaux cultivés à faible teneur en CO2. Test t : deux échantillons en supposant des variances égales. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Les méthodes expérimentales décrites dans cet article présentent certains avantages et limites. Un avantage est que cette méthode peut cribler de nombreux semis de plantes, bien que certaines précautions doivent être prises pour éviter la contamination de la plaque de milieu végétal pendant le placage et le processus de croissance. Par conséquent, il est essentiel de sceller les plaques d’Arabidopsis avec du ruban chirurgical. Un autre avantage de cette expérience est qu’elle a une période de stress photorespiratoire plus courte de 12 h par rapport aux travaux publiés précédemment8. La réduction du temps de traitement visait à mieux distinguer les différences de Fv/Fm entre le WT et les mutants sélectionnés. Il peut être nécessaire de faire varier le temps de traitement en fonction de la gravité du phénotype chez les souches mutantes et du niveau de CO2 dans le dispositif expérimental. Une limite, cependant, est que cette méthode nécessite une surface foliaire suffisamment grande pour que le fluoromètre puisse mesurer et que les valeurs Fv/Fm soient calculées. L’ajustement de la durée de croissance initiale des semis testés permettra de s’assurer que l’imageur fluorométrique dispose d’une surface foliaire suffisante pour mesurer chaque semis sans que les feuilles ne se chevauchent pendant l’imagerie. Les plantules doivent être imagées aux premières vraies feuilles pour garder la taille et les angles des feuilles uniformes. La résolution de l’image peut être améliorée en augmentant la vitesse d’obturation et la sensibilité de l’appareil photo. Les pixels voisins seront mieux distingués ; Cependant, augmenter trop la sensibilité surexposera la caméra et conduira à de faux maximums de fluorescence. L’optimisation et le dépannage peuvent être nécessaires pour équilibrer les valeurs de résolution et de fluorescence.
La capacité de dépister les mutants photosynthétiques dans une procédure standardisée est importante. Il peut permettre une méthode cohérente à haut débit pour identifier les mutants de photorespiration avec des gènes d’intérêt pour la photosynthèse et le métabolisme de la photorespiration. Dans l’ensemble, le dépistage du Fv/Fm dans cette analyse prend environ 30 s par plaque de semis de plantes, ce qui permet de cribler plus de 1 000 semis par jour. L’analyse par fluorescence chlorophyllienne permet d’identifier les mutants photorespiratoires à l’aide d’un criblage à faible teneur en CO2 , ce qui est important pour maintenir l’efficacité photorespiratoire. Étant donné le grand nombre de transporteurs inconnus théorisés pour être dans la voie photorespiratoire3, cette méthode peut être utilisée pour évaluer rapidement l’effet du génotype sur l’efficacité photosynthétique. De plus, les fluoromètres peuvent mesurer d’autres aspects de l’efficacité photosynthétique tels que la trempe non photochimique et l’efficacité de fonctionnement du photosystème II. Ces protocoles supplémentaires prennent plus de temps par plaque de semis, mais pourraient être utilisés pour des analyses plus approfondies et plus sensibles, contrairement à ce criblage rapide à haut débit des mutants. Cette méthode ne se limite pas à Arabidopsis et peut également être ajustée pour dépister les mutants de l’ADN-T dans une gamme d’autres conditions de stress abiotiques telles que les températures élevées et basses, le stress lumineux élevé et les conditions de sécheresse pour identifier les gènes importants pour la photosynthèse et la photorespiration. Toute modification supplémentaire devrait être optimisée sur une base individuelle.
Les auteurs n’ont pas d’intérêts financiers concurrents ou de conflits d’intérêts.
Cette recherche a été financée par le Louisiana Board of Regents (AWD-AM210544).
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 |
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