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.
Una de las cuestiones clave en el desarrollo de la comprensión de la planta es cómo se comportan las células individuales durante la diferenciación de órganos y el crecimiento. Idealmente, los procesos celulares, como los patrones de expresión de genes y localización de la proteína intracelular, pueden ser vistos a la luz de un contexto más amplio del tejido. Este objetivo plantea desafíos técnicos y requiere una observación órgano completo con una alta resolución espacial, así como la resolución temporal durante períodos prolongados de tiempo, lo que puede causar efectos foto-toxicidad. Dado que las plantas se adaptan rápidamente a los cambios ambientales, las condiciones de cultivo deben ser estrictamente controlados. Con el fin de hacer imágenes a largo plazo sin interferir con el estado fisiológico de la planta, tres cosas tienen que ser asegurado de condiciones, 1) que crecen en la cámara de muestra, 2) muestra montaje estable durante largos períodos de tiempo, y 3) la formación de imágenes con bajas intensidades de luz para evitar la foto-daño y condiciones no fisiológicas.
Fisiológica conditi crecimientocomplementos en la cámara del microscopio de muestras son cruciales para experimentos a largo plazo. Hay una serie de protocolos disponibles que describen las cámaras de crecimiento de imágenes para microscopios confocales 1 – 3. Sin embargo, la microscopía confocal introduce luz de alta intensidad para la planta, que puede causar respuestas de estrés y por lo general inhibe el crecimiento 4. Además, la mayoría de los microscopios convencionales sólo permiten el posicionamiento horizontal de la muestra, que no es óptimo para las plantas, ya que tratan de reorientarse y crecer hacia el vector de la gravedad. Durante los últimos diez años, la microscopía de luz de hoja se ha convertido en una herramienta poderosa para capturar el desarrollo de grandes muestras a celulares de resolución por períodos de tiempo de hasta varios días 5 – 9. Microscopía de luz de hoja permite posicionar la muestra verticalmente y se utiliza cada vez más en la investigación de plantas estudiar el desarrollo radicular de 10 – 21, revisada recientemente por Berthety Maizel 22. Muchos de los estudios mencionados 10,13 – 18,21 se optimizaron y llevado a cabo en el laboratorio de Ernst Stelzer HK empleando una forma especial de montaje de la muestra caracterizan por el crecimiento de la raíz en la superficie de un gel de 17. En estos estudios, se utilizó un microscopio a medida, en el que la planta se lleva a cabo desde la parte inferior. En contraste, la mayoría de los microscopios de luz de hoja ampliamente disponibles mantenga la muestra desde la parte superior. Por lo tanto, este método de preparación en particular no se puede aplicar fácilmente. El método presentado aquí proporciona un protocolo para el método de montaje en superficie bien establecida aplicable para la OpenSPIM 23, una plataforma de acceso abierto para la aplicación y la mejora selectiva plano de iluminación Microscopy (SPIM).
El objetivo general de este protocolo es permitir que las imágenes a largo plazo de las raíces de Arabidopsis en el OpenSPIM microscopio de hoja de luz. Esto se logra por el crecimiento de una planta en posición vertical sobre los surface de un gel con las raíces en un medio líquido, mientras que las hojas se mantienen en el aire. Con el fin de asegurar la actividad fotosintética de la planta, un sistema de iluminación a medida ilumina las hojas pero no las raíces (Figura 1).
Hoja de luz microscopía de fluorescencia tiene la gran ventaja de combinar baja fototoxicidad y la velocidad de adquisición ultrarrápida, que se puede utilizar para capturar un gran volumen con una alta resolución espacio-temporal mientras se mantiene la muestra en un estado fisiológico. La resolución de un microscopio de lámina de luz se puede comparar con la de un microscopio confocal 9. Sin embargo, la dispersión de luz y la absorción se produce a lo largo de la trayectoria de excitación y de emisión de forma individual y la calidad general de la imagen pueden ser significativamente más baja dentro de los tejidos opacas en comparación con la superficie. Para evitar esta complicación se puede utilizar la posibilidad de girar la muestra a lo largo del eje vertical y observar el mismo volumen desde diferentes direcciones. Pero esto no siempre es ventajoso, por ejemplo, raíces laterales emergen en un lado de la raíz y de formación de imágenes desde atrás da como resultado una baja calidad de imagen sin aumentar de más información. Sin embargo, la rotación se puede utilizar principalmente para posicionar el sample de la mejor manera. La disposición horizontal clásico de las lentes del objetivo permite nuevas formas de montaje de la muestra. Las plantas se benefician de una posición vertical. Se presenta aquí, la "en la superficie del gel" método de montaje tiene varias ventajas en comparación con otros métodos de montaje tales como la incorporación de la raíz en el interior de un gel 24,25. 1) El sistema de la raíz está en contacto directo con el medio líquido. La cámara de muestra está conectado a un sistema de perfusión que proporciona continuamente medio fresco. También se puede utilizar para intercambiar rápidamente todo el volumen de la cámara de muestra para aplicar diferentes medios de comunicación o drogas. 2) Antes de muestrear las plantas de preparación crecen a medida que se utilizan para crecer en los laboratorios. Las plantas pueden ser seleccionados bajo un microscopio de fluorescencia y sólo las plantas deseadas deben estar preparados. 3) La planta se transfiere de la placa de Petri para el soporte de la muestra sin ser tocado. De esta manera la planta puede desarrollar aún más en el mismo gel que estaba creciendo en el crecimiento incubator y el estrés mecánico se reduce a un mínimo. 4) La vista en la muestra no está obstruido y aberraciones ópticas se reducen al mínimo debido a que el espacio entre la muestra y el objetivo de detección está exclusivamente lleno de medio y no hay otros materiales con diferentes índices de refracción.
Con el fin de realizar las imágenes a largo plazo, el sistema de planta de iluminación es necesario para asegurar la actividad fotosintética de la planta. En la mayoría de los laboratorios de las plantas crecen en un gel transparente, es decir, las raíces están expuestas a la luz. Esto puede causar diferentes respuestas a su medio ambiente e induce cambios en su bioquímica y desarrollo 26,27. Con el fin de reducir la cantidad de luz en el sistema de la raíz, hoja de plástico negro se utiliza para cubrir la superficie del agua, así como una tapa hecha de papel de aluminio negro cubierto la cámara de muestra. La luz puede llegar a la hojas de la planta a través del agujero central en la tapa. En esta configuración, sin aumento de la luz de fondo se observó, suggesting que la cantidad de luz parásita de los LED rojos y azules se redujo significativamente por el filtro de GFP y los enfoques de sombreado. Esto permitió mantener la luz encendida durante la adquisición de la imagen sin incrementar el ruido de fondo de la cámara.
El soporte de muestras está diseñado para la impresión 3D. Sin embargo, la elección del material es crucial como varios plásticos que se probaron no eran 100% estable, lo que resulta en una deriva de la muestra. Por lo tanto, se recomienda el uso de resinas en lugar o construir el soporte de muestra por el fresado de una varilla (PEP) polietileno. Cuando se utiliza una configuración de microscopio de lámina de luz con el sistema de iluminación de doble cara el soporte de muestra puede interferir con una de las hojas de luz dependiendo del ángulo de rotación. Para reducir el estrés mecánico durante recogiendo la planta de la placa, utilizar un ángulo plano de la espátula. La planta puede secar rápidamente y el flujo de experiencia al aire por primera vez. Trate de evitar cualquier corriente de aire (movimientos rápidos, el flujo de aire acondicionado), work ininterrumpidamente y deslice el soporte de la muestra en una punta de pipeta de 1.000 l siempre que sea posible. En el interior del microscopio, es crucial para no mojar la planta entera en un líquido y mantener las hojas secas.
La técnica es ideal para la formación de imágenes las etapas tempranas de formación de la raíz lateral. Al realizar la proyección de imagen a largo plazo de las puntas de las raíces maduras hay que tener en cuenta que las raíces de Arabidopsis crecen con 100-300 micras / h rápidamente fuera del campo de visión. Una aplicación muy útil futuro podría ser un algoritmo de seguimiento automatizado, lo que permitiría el crecimiento de la raíz punta siguiente durante períodos prolongados de tiempo. La capacidad de controlar las condiciones ambientales como la luz y la composición nutricional del medio durante el proceso de adquisición permite la investigación de cómo las plantas se adaptan a los cambios. La raíz está en contacto directo con el medio líquido, que se puede utilizar para aplicar fármacos para activar químicamente la expresión génica, por ejemplo utilizando la dexametasona inducible 28 o de la β-estradiol sistema inducible 29. Sin embargo, se necesita tiempo para el intercambio de todo el volumen de la cámara de muestra para lavar un medicamento. La configuración se puede mejorar reduciendo al mínimo el volumen de la cámara de muestras para acelerar el intercambio de medio. Sin embargo, esta técnica tiene un gran potencial. La combinación de procedimiento de montaje, las condiciones de cultivo estandarizadas y la adquisición de la imagen suave usando microscopía de luz de hoja permite estudios a largo plazo de desarrollo de la planta con una alta resolución a un nivel fisiológico. Esto ayudará a los investigadores a explorar los mecanismos fundamentales del desarrollo de la planta.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a Matyáš Fendrych para la lectura / visualización crítica y Stephan Stadlbauer para el equipo de audio. Gracias a la Miba Machine Shop en IST Austria por su contribución a la OpenSPIM. La investigación que lleva a estos resultados ha recibido financiación de las personas del programa (acciones Marie Curie) del Séptimo Programa Marco de la Unión Europea (FP7 / 2007-2013) en virtud de acuerdo de subvención REA n ° [291734] y el Consejo Europeo de Investigación (ERC-2011 proyecto -StG-20101109-PDSP).
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 |