Method Article
В этом отчете описываются основные методы, используемые для культивирования и экспериментального манипулирования одноклеточными стрептофитами водорослями Penium margaritaceum. Он также предоставляет фундаментальные протоколы визуализации на основе микроскопии, включая мечение живых клеток моноклональными антителами и другими флуоресцентными зондами, а также сканирующую электронную микроскопию.
Клеточная стенка является первым компонентом приема/трансдукции сигнала для растительной клетки во время развития и при реагировании на абиотические и биотические стрессоры окружающей среды. Клетка постоянно следит за целостностью своей клеточной стенки и модулирует ее в ответ на стресс. Выяснение специфических структурных и биохимических модуляций, происходящих в клеточной стенке, является сложной задачей, особенно при использовании многоклеточных растений и их органов/тканей. Это связано с ограничениями в отношении того, что может быть разрешено в отдельной клетке, которая является частью сложной многоклеточной сети. Одноклеточная водоросль стрептофитов, Penium margaritaceum, недавно была использована в исследованиях динамики пектина, фенотипической пластичности клеточной стенки и многочисленных аспектов клеточной биологии водорослей. Его простой фенотип, четкая клеточная стенка, которая имеет много компонентов, заметно похожих на клеточные стенки наземных растений, и легкость в иммуноцитохимических и экспериментальных исследованиях делают его мощным модельным организмом в биологии клеточных стенок растений. Целью данного исследования является предоставление основных методов культивирования, экспериментальной манипуляции и скрининга прикладных стрессоров. Протоколы скрининга иммуноцитохимии, конфокальной лазерной сканирующей микроскопии и сканирующей электронной микроскопии структуры клеточной стенки. Кроме того, многие из описанных методов могут быть модифицированы для широкого спектра других клеточных и молекулярных исследований.
Клеточная стенка растения представляет собой сложную полимерную сеть, которая играет несколько ролей в жизни растительной клетки1. Целостность клеточной стенки постоянно контролируется клеткой во время развития и в ответ на стресс окружающей среды и соответственно модулируется в химии и структуре. Penium margaritaceum — это одноклеточная зеленая водоросль, которая недавно была использована в исследованиях водорослей стрептофитов (Streptophyta, группа зеленых водорослей, наиболее тесно связанных и предков наземных растений2).
В течение последних двух десятилетий P. margaritaceum играл важную роль в исследованиях динамики клеточной стенки и внеклеточного матрикса, активности эндомембранных систем, проявления клеточной формы и эволюции растений 3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Цель данной работы состоит в том, чтобы предоставить исследователям клеточной стенки растений фундаментальные методы культивирования P. margaritaceum, экспериментального манипулирования им с помощью методов на основе микропланшетов и мониторинга структуры его клеточной стенки с помощью иммуноцитохимического мечения живых клеток и визуализации с помощью методов световой и электронной микроскопии. P. margaritaceum имеет много общего в биохимии клеточной стенки с первичными клеточными стенками наземных растений. Мы разработали несколько протоколов, которые используют преимущества уникального одноклеточного фенотипа этой водоросли и обеспечивают быстрые средства изучения динамики клеточной стенки, которые часто трудно контролировать у многоклеточных растений. Эти методы будут полезны биологам клеточной стенки растений, которые хотят пролить свет на детальную динамику клеточной стенки, особенно тем, кто имеет дело с пектином, и послужат отправной точкой для исследований, посвященных биологии клеток водорослей растений и стрептофитов.
ПРИМЕЧАНИЕ: Penium margaritaceum получен в Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen - Культурная коллекция водорослей в Гёттингенском университете, SAG; Штамм #2640.
1. Поддержание культур
2. Мечение клеточной стенки моноклональными антителами
Примечание: P. margaritaceum покрыт первичной клеточной стенкой, которая содержит многие из тех же компонентов, что и первичные клеточные стенки наземных растений11. Многие моноклональные антитела (mAb), выращенные против эпитопов клеточной стенки наземных растений, распознают компоненты клеточной стенки P. margaritaceum . Источниками этих антител являются Центр исследования сложных углеводов Университета Джорджии (ccrc@uga.edu) или Керафаст (kerafast.com). После мечения клеточной стенки живых клеток первичными mAb, специфичными для эпитопов клеточной стенки, и флуорконъюгированными вторичными антителами (например, FITC, TRITC), клетки могут быть помещены обратно в культуру без влияния на здоровье клетки или отложение клеточной стенки. Флуоресцентное мечение клеточной стенки остается неограниченным, и вновь секретируемая клеточная стенка представляет собой темные (т.е. немеченные) зоны, которые могут быть измерены для определения скорости клеточного расширения и/или снова помечены с помощью mAb или других зондов.
3. Измерение клеточной стенки и скорости клеточного расширения с течением времени
4. Покадровая визуализация расширения клеточной стенки
5. Наблюдение за продукцией внеклеточного полимерного вещества (ЭПС)
6. Покадровая съемка формирования следа EPS
7. Корреляционно-структурный анализ клеточной стенки с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ)
Измененные особенности клеточной стенки, наблюдаемые в живых клетках, меченных клеточно-специфическими антителами, могут быть визуализированы для получения подробных характеристик с помощью SEM. Этот корреляционный подход позволяет получить ультраструктурные данные, которые можно сравнить с данными флуоресценции.
Мечение клеточной стенки P. margaritaceum антипектиновыми mAb (например, JIM5) выявляет сеть кальциевых комплексных волокон и выступов, которые образуют регулярный узор или решетку (рис. 1). Пектин откладывается в клеточном центре или перешейке, где он вытесняет более старый пектин к полюсам (рис. 2). Мечение другим пектиновым антителом JIM7 подчеркивает начальную секрецию пектина с высоким содержанием метилэтерифицированного пектина в узкой полосе на перешейке (рис. 3A, B). Другие полимеры, расположенные в клеточной стенке, в том числе белок арабиногалактан, помеченный mAb, JIM13 (рис. 4). Большое количество ЭПС секретируется извне клеточной стенкой (рис. 5), что способствует скольжению и образованию клеточных агрегатов. Некоторые из этих методов мечения могут быть интегрированы в исследования развития, включая количественное изучение клеточной стенки и клеточной экспансии (Рисунок 6). Аналогичным образом, коррелятивные структурные исследования пектина с использованием СЭМ-визуализации предоставляют подробную ультраструктурную информацию (рис. 7), которую можно сравнить с флуоресцентной микроскопией, основанной на мечении живых клеток.
Представленные методы представляют собой фундаментальное руководство по использованию одноклеточных водорослей, таких как P. margaritaceum, для различных типов анализов. Возможность выполнять иммуномечение клеточной стенки живыми клетками и следить за последующими событиями развития является особым преимуществом, которое часто не учитывается при использовании многоклеточных систем. P. margaritaceum также имеет клеточную стенку, в которой пектин находится на внешней поверхности клеточной стенки (т.е. непосредственно доступен для микроскопии). Визуализация и экспериментирование с клетками в лунках микролуночных планшетов предоставляет удобный способ быстрого сбора данных. Наконец, средства корреляции данных CLSM с данными SEM обеспечивают ценный канал для сравнения событий в живых клетках с ультраструктурной информацией.
Рисунок 1: Мечение пектиновой решетки моноклональным антителом. Специфичность антител JIM5 — низкий уровень этерифицированного гомогалактуронана. Обратите внимание на отчетливые выступы (белые стрелки) на поверхности клеточной стенки. Зона расширения (черная стрелка) — это место, где добавляются новые материалы клеточных стенок. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 2: Мечение клеток JIM5 во время развития. Первоначально клетка была помечена JIM5-TRITC (оранжевый и *) и помещена обратно в культуру. Через 24 ч клетки собирали и маркировали JIM5-FITC (зеленым и стрелочным). Эта зона представляет собой новый рост. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 3: Мечение JIM7 высокоэтерифицированным пектином. (A) Мечение высокоэтерифицированного пектина моноклональным антителом JIM7 (специфичность: высокоэтерифицированный гомогалактуронан) в зоне экспансии. Обратите внимание на узкий слой (белая стрелка) на поверхности клеточной стенки. (B) Совместное мечение высокои низкоэтерифицированного пектина клеточной стенки во время клеточной экспансии. Первоначально клетка была помечена JIM5-TRITC (оранжевый и *) и помещена обратно в культуру. Через 24 ч клетки были собраны и помечены JIM7-FITC (зеленым цветом и стрелкой). Темные зоны между помеченными зонами представляют собой недавно добавленный пектин (черные стрелки). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 4: Белки арабиноглактана клеточной стенки. Мечение арабиногалактановых белков (АГП) поверхности клеточной стенки моноклональным антителом JIM13. Обратите внимание на слабую связь AGP с клеточной стенкой (стрелки). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 5: Визуализация скользящих следов с флуоресцентными шариками. (A) Флуоресцентные шарики размером 0,75 мкм, прикрепленные к поверхности клеточной стенки (стрелки). (B) Обвязка флуоресцентными шариками следов EPS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 6: Измерение расширения клеточной стенки может быть выполнено после мечения JIM5-TRITC. Клетки помещают обратно в культуру и дают им расти в течение 24 ч, 48 ч и 72 ч. Аликвоты клеток могут быть удалены в определенный период времени и рассмотрены с помощью флуоресцентного конфокального лазерного сканирующего микроскопа. Процент нового роста определяется путем измерения немеченой клеточной стенки (белая линия) по отношению всей длины клетки (желтая линия). Красная флуоресценция — это автофлуоресценция хлорофилла. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 7: Корреляционные исследования. (А) Типичная решетка состоит из сетки волокон, которые часто заканчиваются снаружи в отдельных проекциях (стрелка). (Б) При обработке большим количеством кальция решетка превращается в неправильные отложения (стрелки). Меченая ячейка JIM5. (В) Когда клеточные стенки обрабатываются, как показано в пункте (В), и исследуются с помощью СЭМ, дезорганизованный пектин (стрелка) наблюдается в деталях. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
P. margaritaceum является эффективным организмом для выяснения динамики развития клеточной стенки и секреции ВКМ у растений и стрептофитов. К основным характеристикам относятся одноклеточный габитус и простота в поддержании культуры и экспериментальных манипуляциях, первичная клеточная стенка с отчетливой внешней пектиновой решеткой и другими полимерами, легкость мечения живых клеток с помощью mAb, направленных на клеточную стенку, которые можно отслеживать со временем для последующих разработок и/или экспериментальных исследований, а также производство больших количеств EPS, которые можно контролировать в режиме реального времени с использованием флуоресцентных шариков. 2,3,6. Кроме того, большинство методов маркировки предоставляют простые средства для количественных измерений.
P. maragaritaceum является устойчивым организмом, который может приспособиться к некоторым скромным изменениям в описанных здесь протоколах. Однако важно отметить, что: а) для иммуноцитохимии и экспериментальных манипуляций используйте клетки культур, возраст которых не превышает 21 дня; б) культивирование при температуре не выше 28 °С; в) поддерживать разведение антител в соответствии с предписаниями. Флуоресцентное мечение JIM5-TRITC будет длиться несколько дней, если клетки будут храниться в темноте. Изображения, меченные ячейками JIM7, должны быть визуализированы в течение 24 часов. Для мечения флуоресцентными шариками визуализация клеток лучше всего в течение 24 часов. Для конкретных экспериментов, особенно с использованием микропланшетных анализов, сначала следует протестировать различные концентрации агентов, чтобы найти наиболее активный. Также крайне важно проводить эксперименты по восстановлению, чтобы убедиться в том, что агент просто не изменил жизнеспособность клеточной культуры.
Простые модификации описанных протоколов могут быть легко внесены в соответствии с целями исследователя. Существует множество других антител для изучения клеточной стенки, которые еще предстоит опробовать с P. margaritaceum. Для конкретных экспериментов, особенно тех, в которых используется анализ на микропланшетах, сначала следует протестировать различные концентрации веществ, чтобы найти наиболее активный. Визуализация на микропланшетах клеток, меченных флуоресцентными антителами, может быть быстро оценена с помощью скрининга отдельных лунок на основе микроскопии. Также крайне важно проводить эксперименты по восстановлению, чтобы убедиться в том, что агент не изменил жизнеспособность клеточной культуры.
О конфликте интересов не сообщается.
Эта работа была поддержана Национальным научным фондом (NSF) (грант MCB No 2129443 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 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены