פרוטוקול ניקוי יעיל לחקר התפתחות זרעים בעגבניות (Solanum lycopersicum L.)

עגבניות (S. lycopersicum L.) הוא אחד מגידולי הירקות החשובים ביותר ברחבי העולם, עם תפוקה של 186.8 מיליון טונות של פירות בשרניים מ 5.1 מיליון דונם בשנת 2020¹. הוא שייך למשפחת Solanaceae הגדולה עם כ-2,716 מינים², כולל גידולים רבים בעלי חשיבות מסחרית כגון חצילים, פלפלים, תפוחי אדמה וטבק. העגבנייה המעובדת היא מין דיפלואידי (2n = 2x = 24) עם גודל גנום של כ 900 Mb³. במשך זמן רב, נעשה מאמץ רב לקראת ביות עגבניות ורבייה על ידי בחירת תכונות רצויות מסולנום פראי spp. יש יותר מ-5,000 עגבניות במרכז המשאבים לגנטיקה של עגבניות ויותר מ-80,000 נבטים של עגבניות מאוחסנים ברחבי העולם⁴. צמח העגבנייה הוא רב שנתי בחממה ומתפשט על ידי זרעים. זרע עגבנייה בוגר מורכב משלושה תאים עיקריים: עובר בגידול מלא, אנדוספרם מסוג תאי שיורי ושכבת זרע קשה ^5,6 (איור 1A). לאחר הפריה כפולה, התפתחות אנדוספרם מסוג תאי מקדימה את התפתחות הזיגוטים. ב~5-6 ימים לאחר הפריחה (DAF), פרומבריו דו-תאי נצפה לראשונה כאשר האנדוספרם מורכב משישה עד שמונה גרעינים⁷. ב- Solanum pimpinellifolium, העובר מתקרב לגודלו הסופי לאחר 20 DAF, וזרעים הם בני קיימא לנביטה לאחר 32 DAF⁸. ככל שהעובר מתפתח, האנדוספרם נספג בהדרגה ורק כמות קטנה של אנדוספרם נשארת בזרע. האנדוספרם השיורי מורכב מאנדוספרם מיקרופילרי המקיף את קצה הרדיקל, ואנדוספרם לרוחב בשאר הזרע ^9,10. ציפוי הזרע החיצוני מפותח מאפידרמיס חיצוני מעובה ומכובד של הכסות, ועם השכבות המתות של שרידי הכסות, הם יוצרים קליפה קשה כדי להגן על העובר והאנדוספרם⁵.

איור 1: ייצוג סכמטי של זרע בוגר בסולנום ליקופרסיום ובערבידופסיס תאליאנה. (A) אנטומיה אורכית של זרעי עגבנייה בוגרים. (B) אנטומיה אורכית של זרע ערבידופסיס בוגר. גודלו של זרע עגבנייה בוגר גדול בערך פי 70 מזרע ערבידופסיס. פסי קנה מידה = (A) 400 μm, (B) 100 μm. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

ייצור זרעי עגבניות איכותיים תלוי בתיאום בין העובר, האנדוספרם ומרכיבי הזרע האימהי¹¹. ניתוח גנים ורשתות מפתח בהתפתחות זרעים דורש רישום פנוטיפי עמוק ומלא של זרעים מוטנטיים. טכניקות חיתוך הטמעה קונבנציונליות, כגון חתך דק למחצה וחתך פרפין, מיושמות באופן נרחב על זרעי עגבניות כדי לבחון את המבנים המקומיים והעדינים יותר של העובר^12,13,14,15. עם זאת, ניתוח התפתחות הזרעים מקטעים דקים הוא בדרך כלל מייגע וחסר רזולוציה מרחבית של ציר z. לשם השוואה, ניקוי רקמות הוא שיטה מהירה ויעילה לאיתור השלב ההתפתחותי של פגמים בעוברים שסביר ביותר שיתרחשו¹⁶. שיטת הניקוי מפחיתה את האטימות של הרקמה הפנימית על ידי הומוגניזציה של מקדם השבירה עם חומר ביוכימי אחד או יותר¹⁶. ניקוי רקמות שלמות מאפשר תצפית על מבנה רקמה צמחית מבלי להרוס את שלמותה, והשילוב של טכנולוגיית ניקוי והדמיה תלת מימדית הפך לפתרון אידיאלי לקבלת מידע על המורפולוגיה והמצב ההתפתחותי של איבר צמחי^17,18. במהלך השנים, טכניקות ניקוי זרעים שימשו במיני צמחים שונים, כולל Arabidopsis thaliana, Hordeum vulgare, ו– Beta vulgaris 19,20,21,22,23. בין אלה, טכנולוגיית ניקוי הביציות בהרכבה שלמה הייתה גישה יעילה לחקר התפתחות זרעים של Arabidopsis, בשל גודלו הקטן, 4-5 שכבות של תא ציפוי הזרע, והאנדוספרם מסוג גרעיני^24,25. עם העדכון המתמשך של תערובות ניקוי שונות, כגון הופעת הפתרון של Hoyer²⁶, מבנים פנימיים של ביצית השעורה צולמו עם רמה גבוהה של בהירות למרות אנדוספרם שלה מהווה את עיקר הזרעים. Embryogenesis של סלק סוכר ניתן לראות על ידי ניקוי בשילוב עם טיפול ואקום ריכוך עם חומצה הידרוכלורית¹⁹. עם זאת, בניגוד למינים שהוזכרו לעיל, לא דווח על תצפיות אמבריולוגיות על ידי ניקוי פרוטוקולים בזרעי עגבניות. זה מונע חקירה מפורטת של התפתחות עוברית וזרעים של עגבניות.

כלורל הידרט משמש בדרך כלל כתמיסת ניקוי המאפשרת להציג את הרקמות והתאים השקועים במישורים אופטיים שונים, ומשמרת באופן משמעותי את התאים או מרכיבי הרקמה^27,28,29. פרוטוקול ניקוי מבוסס כלורל הידרט שימש בהצלחה לניקוי שלם של זרעים כדי לבחון את העובר והאנדוספרם של Arabidopsis^21,28. עם זאת, פתרון ניקוי זה אינו יעיל בניקוי זרעי עגבניות, שהם אטומים יותר מזרעי ערבידופסיס. המחסומים הפיזיים כוללים: (1) לכסות העגבניות יש כמעט 20 שכבות תאים ב-3 עד 15 DAF 30,31, (2) אנדוספרם העגבניות הוא מסוג תאים, לא מסוג גרעיני 32, ו-(3) זרעי עגבניות גדולים בערך פי 70 בגודל^33,34 ו-(4) מייצרים כמויות גדולות של רירית ציפוי זרעים^, מה שחוסם את החדירה של ריאגנטים לניקוי ומשפיע על הדמיה של תאי עובר.

לכן, דוח זה מציג שיטת ניקוי אופטימלית המבוססת על כלור הידרט לניקוי שלם של זרעי עגבניות בשלבים שונים, המאפשרת הדמיה עמוקה של תהליך התפתחות העובר (איור 2).