Method Article
Este relatório descreve os métodos fundamentais usados para cultivar e manipular experimentalmente a alga estreptófita unicelular, Penium margaritaceum. Ele também fornece protocolos fundamentais de imagens baseadas em microscopia, incluindo marcação de células vivas com anticorpos monoclonais e outras sondas fluorescentes e microscopia eletrônica de varredura.
A parede celular é o primeiro componente da recepção/transdução de sinal para uma célula vegetal durante o desenvolvimento e ao responder a estressores ambientais abióticos e bióticos. A célula monitora constantemente a integridade de sua parede celular e a modula em resposta ao estresse. Elucidar as modulações estruturais e bioquímicas específicas que ocorrem na parede celular é uma tarefa difícil, especialmente quando se emprega plantas multicelulares e seus órgãos/tecidos. Isso se deve aos limites do que pode ser resolvido em uma célula individual que faz parte de uma rede multicelular complexa. A alga estreptófita unicelular, Penium margaritaceum, tem sido recentemente usada em investigações da dinâmica da pectina, plasticidade fenotípica baseada na parede celular e múltiplos aspectos da biologia celular de algas. Seu fenótipo simples, parede celular distinta que possui muitos componentes notavelmente semelhantes às paredes celulares de plantas terrestres e facilidade em estudos imunocitoquímicos e experimentais o tornam um poderoso organismo modelo na biologia da parede celular vegetal. O objetivo deste estudo é fornecer as técnicas básicas para cultivo, manipulação experimental e triagem de estressores aplicados. Protocolos de triagem para imunocitoquímica, imagens de microscopia de varredura a laser confocal e imagens de microscopia eletrônica de varredura da estrutura da parede celular. Da mesma forma, muitas das técnicas descritas podem ser modificadas para uma ampla gama de outros estudos celulares e moleculares.
A parede celular de uma planta é uma rede polimérica complexa que tem múltiplos papéis na vida de uma célula vegetal1. A integridade da parede celular é constantemente monitorada pela célula durante o desenvolvimento e em resposta ao estresse ambiental e modula em química e estrutura de acordo. Penium margaritaceum é uma alga verde unicelular que tem sido recentemente utilizada em estudos de algas estreptófitas (Streptophyta, o grupo de algas verdes mais intimamente relacionadas e ancestrais das plantas terrestres2).
Nas últimas duas décadas, P. margaritaceum tem sido um organismo importante nas investigações da dinâmica da parede celular e da matriz extracelular, atividades do sistema endomembranar, manifestação da forma celular e evolução das plantas 3,4,5,6,7,8,9,10,11 . O objetivo deste trabalho é fornecer aos pesquisadores da parede celular vegetal os métodos fundamentais de cultivo de P. margaritaceum, manipulando-o experimentalmente usando técnicas baseadas em microplacas e monitorando a estrutura de sua parede celular usando marcação imunocitoquímica de células vivas e imagens com técnicas de microscopia de luz e eletrônica. P. margaritaceum tem muitas semelhanças na bioquímica da parede celular com as paredes celulares primárias das plantas terrestres. Desenvolvemos vários protocolos que aproveitam o fenótipo unicelular exclusivo dessa alga e fornecem um meio rápido de estudar a dinâmica da parede celular que muitas vezes é difícil de monitorar em plantas multicelulares. Essas técnicas serão úteis para os biólogos da parede celular de plantas que desejam elucidar a dinâmica detalhada da parede celular, especialmente aquelas que lidam com pectina, e servirão como ponto de partida para estudos que lidam com biologia celular de plantas e algas estreptófitas.
NOTA: Penium margaritaceum é obtido na Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen - Coleção de Cultura de Algas da Universidade de Göttingen, SAG; Cepa # 2640.
1. Manutenção de culturas
2. Marcação da parede celular com anticorpos monoclonais
NOTA: P. margaritaceum é coberto por uma parede celular primária que possui muitos dos mesmos constituintes encontrados nas paredes celulares primárias de plantas terrestres11. Muitos dos anticorpos monoclonais (mAbs) criados contra epítopos da parede celular de plantas terrestres reconhecem componentes da parede celular de P. margaritaceum . As fontes desses anticorpos incluem o Centro de Pesquisa de Carboidratos Complexos da Universidade da Geórgia (ccrc@uga.edu) ou Kerafast (kerafast.com). Após a marcação da parede celular de células vivas com mAbs primários específicos para epítopos da parede celular e anticorpos secundários conjugados com fluoróforo (por exemplo, FITC, TRITC), as células podem ser colocadas de volta em cultura sem afetar a saúde da célula ou a deposição da parede celular. A marcação fluorescente da parede celular permanece indefinidamente, e a parede celular recém-secretada se apresenta como zonas escuras (ou seja, não marcadas) que podem ser medidas para determinar as taxas de expansão celular e / ou marcadas novamente com mAbs ou outras sondas.
3. Medição da parede celular e das taxas de expansão celular ao longo do tempo
4. Imagem em timelapse da expansão da parede celular
5. Observando a produção de substâncias poliméricas extracelulares (EPS)
6. Imagem em timelapse da formação de rastros de EPS
7. Análise estrutural correlativa da parede celular com microscopia eletrônica de varredura (MEV)
NOTA: Características alteradas da parede celular observadas em células vivas marcadas com anticorpos específicos da célula podem ser visualizadas para características detalhadas usando SEM. Essa abordagem correlativa permite a obtenção de dados ultraestruturais que podem ser comparados com os dados de fluorescência.
A marcação da parede celular de P. margaritaceum com mAbs anti-pectina (por exemplo, JIM5) revela uma rede de fibras e projeções complexadas com cálcio que formam um padrão regular ou rede (Figura 1). A pectina é depositada no centro celular ou istmo, onde desloca a pectina mais antiga em direção aos pólos (Figura 2). A marcação com um JIM7 semelhante a um anticorpo de pectina diferente destaca a secreção inicial de pectina altamente metilesterificada em uma faixa estreita no istmo ( Figura 3A, B ). Outros polímeros localizados na parede celular, incluindo a proteína arabinogalactana que é marcada com o mAb, JIM13 (Figura 4). Grandes quantidades de EPS são secretadas externamente à parede celular (Figura 5), permitindo o deslizamento e a formação de agregados celulares. Várias dessas técnicas de marcação podem ser integradas em estudos de desenvolvimento, incluindo exame quantitativo da parede celular e expansão celular (Figura 6). Da mesma forma, estudos estruturais correlativos da pectina usando imagens de MEV fornecem informações ultraestruturais detalhadas (Figura 7) que podem ser comparadas com a microscopia baseada em fluorescência de marcação de células vivas.
Os métodos fornecidos fornecem um guia fundamental para o emprego de uma alga unicelular como P. margaritaceum para vários tipos de análises. A capacidade de realizar a imunomarcação de células vivas da parede celular e acompanhar eventos de desenvolvimento subsequentes é uma vantagem particular, muitas vezes não permitida em sistemas multicelulares. P. margaritaceum também oferece uma parede celular onde a pectina está na superfície externa da parede celular (ou seja, diretamente acessível para microscopia). A aquisição de imagens e experimentos com células em poços de placas de micropoços oferece um meio conveniente para coletar dados rapidamente. Finalmente, os meios para correlacionar dados CLSM com dados SEM fornecem um canal valioso para comparar eventos de células vivas com informações ultraestruturais.
Figura 1: Marcação da rede de pectina com o anticorpo monoclonal. A especificidade do anticorpo JIM5 é homogalacturonano de baixa esterificação. Observe as projeções distintas (setas brancas) na superfície da parede celular. A zona de expansão (seta preta) é onde novos materiais da parede celular são adicionados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Marcação de células JIM5 durante o desenvolvimento. A célula foi inicialmente marcada com JIM5-TRITC (laranja e *) e colocada de volta em cultura. Após 24 h, as células foram coletadas e marcadas com JIM5-FITC (verde e seta). Esta zona representa um novo crescimento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Marcação JIM7 de pectina altamente esterificada. (A) Marcação de pectina altamente esterificada com o anticorpo monoclonal, JIM7 (especificidade: homogalacturonano altamente esterificado) na zona de expansão. Observe a camada estreita (seta branca) na superfície da parede celular. (B) Co-marcação de pectina esterificada alta e baixa da parede celular durante a expansão celular. A célula foi inicialmente marcada com JIM5-TRITC (laranja e *) e colocada de volta em cultura. Às 24 h depois, as células foram coletadas e marcadas com JIM7-FITC (verde e seta). As zonas escuras entre as zonas rotuladas representam pectina recém-adicionada (setas pretas). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Proteínas arabinolactanas da parede celular. Marcação das proteínas arabinogalactanas da superfície da parede celular (AGPs) com o anticorpo monoclonal, JIM13. Observe a associação frouxa dos AGPs com a parede celular (setas). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Imagens de trilhas planadoras com esferas fluorescentes. (A) Contas fluorescentes de 0,75 μm presas à superfície da parede celular (setas). (B) Encadernação de esferas fluorescentes de trilhas de EPS. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: A medição da expansão da parede celular pode ser realizada após a marcação JIM5-TRITC. As células são colocadas de volta em cultura e deixadas crescer por 24 h, 48 h e 72 h. Alíquotas de células podem ser removidas em um período de tempo específico e visualizadas com um microscópio confocal de varredura a laser de fluorescência. A porcentagem de novo crescimento é determinada medindo a parede celular não marcada (linha branca) versus todo o comprimento da célula (linha amarela). A fluorescência vermelha é a autofluorescência da clorofila. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: Estudos correlativos. (A) A rede típica é feita de uma malha de fibras que muitas vezes terminam externamente em projeções distintas (seta). (B) Quando tratada com grandes quantidades de cálcio, a rede se transforma em depósitos irregulares (setas). Célula marcada com JIM5. (C) Quando as paredes celulares são tratadas como em (B) e examinadas com MEV, a pectina desorganizada (seta) é observada em detalhes. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
P. margaritaceum é um organismo eficaz para elucidar a dinâmica do desenvolvimento da parede celular e secreção de MEC em plantas e algas estreptófitas. Os principais atributos incluem um hábito unicelular e facilidade na manutenção da cultura e manipulação experimental, uma parede celular primária com uma rede de pectina externa distinta e outros polímeros, facilidade na marcação de células vivas com mAbs direcionados à parede celular que podem ser seguidos a tempo para estudos subsequentes de desenvolvimento e/ou experimentais e a produção de grandes quantidades de EPS que podem ser monitoradas em tempo real usando esferas fluorescentes1, 2,3,6. Além disso, a maioria das técnicas de rotulagem oferece meios simples para medições quantitativas.
P. maragaritaceum é um organismo robusto que pode acomodar algumas mudanças modestas nos protocolos descritos aqui. No entanto, é importante ressaltar que a) para imunocitoquímica e manipulação experimental, utilizar células de culturas com menos de 21 dias de idade; b) cultura em temperaturas não superiores a 28 °C; c) manter as diluições de anticorpos conforme prescrito. A marcação fluorescente JIM5-TRITC durará vários dias se as células forem mantidas no escuro. As células marcadas com JIM7 devem ser visualizadas dentro de 24 h. Para a marcação de esferas fluorescentes, a imagem das células é melhor em 24 horas. Para experimentos específicos, especialmente aqueles que usam ensaios de microplacas, várias concentrações de agentes devem primeiro ser testadas para encontrar o mais ativo. Também é fundamental que experimentos de recuperação sejam realizados para ter certeza de que um agente não simplesmente alterou a viabilidade da cultura de células.
Modificações simples nos protocolos descritos podem ser facilmente feitas para se adequar aos objetivos do pesquisador. Muitos outros anticorpos estão disponíveis para estudar a parede celular que ainda não foi testada com P. margaritaceum. Para experimentos específicos, especialmente aqueles que usam o ensaio de microplaca, várias concentrações de agentes devem primeiro ser testadas para encontrar o mais ativo. A imagem em microplacas de células marcadas com os anticorpos fluorescentes pode ser avaliada rapidamente usando a triagem baseada em microscopia de poços individuais. Também é fundamental que experimentos de recuperação sejam realizados para garantir que um agente não altere a viabilidade da cultura de células.
Nenhum conflito de interesses é relatado.
Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation (NSF) (número de concessão MCB 2129443 para DD).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.5 mL microcent. Tubes | Fisher Scientific | 01-549-740 | |
12 welled microplate | Fisher Scientific | 50-233-6077 | |
22 x 22 mm coverslips | Fisher Scientific | 12-541-016 | |
45x 50 cm coverslips | Brain Research | 4550-1.5D | |
Agar | Sigma Aldrich | A9414 | |
anti-rat FITC | Sigma Aldrich | F6258 | |
anti-rat TRITC | Sigma Aldrich | T4280 | |
calcium chloride | Sigma Aldrich | C4981 | |
Cambbridge stubs | EMS | 75183-65 | |
Fluoview CLSM | Evident | Fluoview 1200 | |
JIM5 | Kerafast | ELD004 | |
JIM7 | Kerafast | ELD005 | |
Microcentrifuge | Fisher Scientific | 13-100-675 | |
Micropipetors | BioRad | 1660499EDU | |
Penium margaritaceum | Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen - Culture Collection of Algae at Göttingen University | 2640 | |
Polysphere kit | Polysciences | 18336 | |
SEM | ThermoFisher | Quattro SEM | |
sputter coater | EMS | Q150V | |
Vortex mixer | Fisher Scientific | 02-215-414 |
Solicitar permissão para reutilizar o texto ou figuras deste artigo JoVE
Solicitar PermissãoThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Todos os direitos reservados