This protocol shows a plant sample preparation method for light-sheet microscopy. The setup is characterized by mounting the plant vertically on the surface of a gel and letting it grow in controlled bright conditions. This allows long-term observation of plant organ development in standardized conditions.
One of the key questions in understanding plant development is how single cells behave in a larger context of the tissue. Therefore, it requires the observation of the whole organ with a high spatial- as well as temporal resolution over prolonged periods of time, which may cause photo-toxic effects. This protocol shows a plant sample preparation method for light-sheet microscopy, which is characterized by mounting the plant vertically on the surface of a gel. The plant is mounted in such a way that the roots are submerged in a liquid medium while the leaves remain in the air. In order to ensure photosynthetic activity of the plant, a custom-made lighting system illuminates the leaves. To keep the roots in darkness the water surface is covered with sheets of black plastic foil. This method allows long-term imaging of plant organ development in standardized conditions.
Uma das questões-chave no desenvolvimento da planta entendimento é como as células individuais se comportam durante a diferenciação de órgãos e crescimento. Idealmente, eventos celulares, como padrões de expressão de genes e localização da proteína intracelular, pode ser vista à luz de um contexto mais amplo do tecido. Este objectivo coloca desafios técnicos e requer observação de órgãos inteiros com uma alta resolução espacial, bem como a resolução temporal ao longo de períodos prolongados de tempo, que podem causar efeitos foto-toxicidade. Desde que as plantas se adaptar rapidamente às mudanças ambientais, as condições de crescimento deve ser rigidamente controlado. A fim de fazer imagiologia de longo prazo, sem interferir com o estado fisiológico da planta, três coisas têm que ser asseguradas condições, 1) que crescem na câmara da amostra, 2) amostra estável de montagem ao longo de grandes períodos de tempo, e 3) a imagem com baixas intensidades de luz para evitar a foto-dano e condições não fisiológicas.
Fisiológica conditi crescenteons na câmara de microscópio amostras são cruciais para experimentos de longa duração. Há uma série de protocolos disponíveis que descrevem câmaras de crescimento de imagem para microscópios confocal 1 – 3. No entanto, a microscopia confocal introduz luz alta intensidade para a planta, que pode causar respostas ao estresse e, geralmente inibe o crescimento 4. Além disso, a maioria dos microscópios convencionais só permitem o posicionamento horizontal da amostra, que não é óptima para as plantas, uma vez que tentar reorientar-se e crescem em direcção do vector de gravidade. Ao longo dos últimos dez anos, a microscopia de luz folhas emergiu como uma ferramenta poderosa para captar o desenvolvimento de grandes espécimes em resolução celular durante períodos de tempo de até vários dias 5 – 9. A microscopia de luz folhas permite posicionar a amostra verticalmente e é cada vez mais utilizado na investigação de plantas estudando o desenvolvimento radicular 10-21, revisto recentemente por Berthet e Maizel 22. Muitos dos estudos mencionados 10,13 – 18,21 foram optimizadas e conduzidos em laboratório de Ernst HK Stelzer empregando uma forma especial da amostra de montagem caracteriza-se por crescimento da raiz na superfície de um gel de 17. Nestes estudos, foi utilizado um microscópio feito por medida, no qual a planta é realizada a partir do fundo. Em contraste, a maioria dos microscópios luz folhas amplamente disponíveis manter a amostra a partir do topo. Assim, este método de preparação particular pode não ser prontamente aplicado. O método aqui apresentado fornece um protocolo para o método de montagem bem estabelecida on-superfície aplicável para a OpenSPIM 23, uma plataforma de acesso aberto para aplicar e melhorar seletiva Avião Illumination Microscopy (SPIM).
O objetivo geral deste protocolo é permitir imaging longo prazo de raízes de Arabidopsis na OpenSPIM microscópio de luz folhas. Isto é conseguido por crescimento de uma planta na vertical sobre o Surface de um gel com as raízes em um meio líquido, enquanto as folhas permanecem no ar. A fim de assegurar a actividade fotossintética da planta, um sistema de iluminação feito por encomenda ilumina as folhas, mas não as raizes (Figura 1).
Folha de luz microscopia de fluorescência tem a grande vantagem de combinar baixa fototoxicidade e a velocidade de aquisição ultra-rápida, que pode ser utilizado para capturar uma grande volume, com uma alta resolução espaço-temporal, mantendo a amostra em um estado fisiológico. A resolução de uma folha de microscópio de luz pode ser comparada com a de um microscópio confocal 9. No entanto, a dispersão de luz e absorção ocorre ao longo do caminho de excitação e de emissão individualmente e a qualidade da imagem global pode ser significativamente inferior no interior tecidos opacas em comparação com a superfície. Para contornar esta complicação pode-se usar a possibilidade de girar a amostra ao longo do eixo vertical e observar o mesmo volume a partir de diferentes direcções. Mas nem sempre é vantajosa, por exemplo, raízes laterais emergem de um lado da raiz e imagiologia por trás resulta em uma baixa qualidade de imagem sem ganhar mais informações. No entanto, a rotação pode ser principalmente utilizado para posicionar o SAMPle da melhor maneira. O arranjo horizontal clássica das lentes objetivas permite novas formas de montagem de amostra. Plantas beneficiar de uma posição vertical. Apresentado aqui, o "sobre a superfície do gel" método de montagem tem várias vantagens em comparação com outros métodos de fixação, tais como a incorporação da raiz no interior de um gel de 24,25. 1) O sistema radicular está em contato direto com o meio líquido. A câmara da amostra é ligado a um sistema de perfusão que fornece meio fresco continuamente. Ele também pode ser usado para trocar rapidamente a totalidade do volume da câmara de amostragem para aplicar diferentes meios ou drogas. 2) Antes da amostra de preparação de plantas crescer à medida que eles são utilizados para crescer em laboratórios. As plantas podem ser seleccionadas sob um microscópio de fluorescência e apenas as plantas desejadas precisam ser preparados. 3) A unidade é transferido da placa de Petri para o suporte de amostras, sem ser tocado. Deste modo, a planta pode desenvolver no mesmo gel foi crescendo em crescimento na incubatoR e tensão mecânica é reduzida a um mínimo. 4) A vista sobre o espécime é desobstruída e as aberrações ópticas são minimizados porque o espaço entre a amostra e o objectivo de detecção é apenas preenchido com meio e não há outros materiais com diferentes índices de refracção.
A fim de realizar imagem de longo prazo, o sistema de iluminação planta é necessária para garantir a actividade fotossintética da planta. Na maior parte dos laboratórios de plantas crescem sobre um gel transparente, ou seja, as raízes são expostas à luz. Isso pode causar diferentes respostas ao seu ambiente e induz mudanças na sua bioquímica e desenvolvimento 26,27. A fim de reduzir a quantidade de luz sobre o sistema de raiz, folha de plástico preto foi usada para cobrir a superfície da água, bem como uma tampa feita de folha de alumínio preto coberto a câmara de amostras. A luz pode atingir a folhas de plantas através do orifício central na tampa. Nesta configuração, nenhum aumento de luz de fundo foi observado, suggesting que a quantidade de luz dispersa a partir dos LEDs vermelhos e azuis foi significativamente reduzida pelo filtro GFP e as abordagens de sombreamento. Isto permitiu manter a luz acesa durante a aquisição de imagem, sem aumentar o ruído de fundo da câmera.
O suporte de amostras é projetado para impressão 3D. No entanto, a escolha do material é crucial como vários plásticos que foram testados não foram 100% estável, resultando em um desvio da amostra. Portanto, é recomendado o uso de resinas, em vez ou construir o suporte de amostra por moagem de uma haste (PEP) de polietileno. Quando se utiliza uma configuração de folha de luz do microscópio com sistema de iluminação de dupla face titular a amostra pode interferir com uma das folhas de luz em função do ângulo de rotação. Para reduzir a tensão mecânica durante a escavar a planta a partir da placa, usar um ângulo plano da espátula. A planta pode rapidamente secar e fluxo de experiência ar pela primeira vez. Tente evitar qualquer corrente de ar (movimentos rápidos, o fluxo de ar-condicionado), work ininterruptamente e deslize o suporte de amostras em uma ponta da pipeta de 1000 mL sempre que possível. Dentro do microscópio, é crucial para não molhar a planta inteira em líquido e manter as folhas secas.
A técnica é ideal para imagens estágios iniciais de formação de raízes laterais. Ao realizar imagem de longo prazo de pontas de raízes maduras é preciso ter em mente que as raízes de Arabidopsis crescer com 100-300 mm / h rapidamente para fora do campo de visão. A futura aplicação muito útil poderia ser um algoritmo de acompanhamento automatizado, o que permitiria o crescimento ponta seguinte raiz ao longo de períodos prolongados de tempo. A capacidade de controlar as condições ambientais tais como a luz e a composição de nutrientes do meio durante o processo de aquisição permite investigar como as plantas se adaptar a alterações. A raiz está em contacto directo com o meio líquido, o qual pode ser usado para aplicar medicamentos para activar a expressão do gene quimicamente, por exemplo utilizando a dexametasona 28 induzível ou o β-estraadiol sistema inducible 29. No entanto, leva tempo para trocar todo o volume da câmara da amostra para lavar uma droga. A configuração pode ser melhorada através da minimização do volume da câmara da amostra para acelerar a troca de meio. No entanto, esta técnica tem um grande potencial. A combinação de procedimento de montagem, condições de crescimento padronizados ea aquisição de imagem suave usando microscopia de luz folhas permite estudos de longo prazo de desenvolvimento da planta com alta resolução a um nível fisiológico. Isso vai ajudar os pesquisadores a explorar mecanismos fundamentais do desenvolvimento da planta.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos Matyáš Fendrych para leitura / visualização crítica e Stephan Stadlbauer para o equipamento de áudio. Graças à Oficina Miba no IST Áustria por sua contribuição para o OpenSPIM. A investigação conducente a estes resultados beneficiaram de financiamento do Programa Pessoas (Acções Marie Curie) do Sétimo Programa-Quadro da União Europeia (FP7 / 2007-2013) ao abrigo do contrato de concessão REA n ° [291734] e do Conselho Europeu de Investigação (ERC projecto-2011 -StG-20101109-PSDP).
Agarose, low melting | VWR | AFFY3282125GM | |
Black aluminum foil | Thorlabs | BKF12 | |
Black plastic foil | Carl Roth | HT83.2 | |
LED blue (453 nm) | OSRAM | LD CN5M-1R1S-35-1 | |
LED red (625 nm) | OSRAM | LR T66F-ABBB-1-1 | |
LED board – PCB design software | Cadsoft Eagle | ||
MES monohydrate | Duchefa | M1503.0100 | |
Micropore Surgical Tape | 3M | 1530-1 | |
Murashige & Skoog Medium (MS-Medium) | Duchefa | M0221 | |
Phytagel | Sigma-Aldrich | P8169 | |
Sample holder 3D print | i.materialise | https://i.materialise.de/shop/item/sampleholder-openspim-zeisslightsheetz1 | |
Square petri dishes (245x245x25 mm) | VWR | 734-2179 | |
Sucrose | Sigma-Aldrich | 84097-1KG |