This protocol details the optimized extraction of apoplast washing fluid from plant leaves, using French bean plants (Phaseolus vulgaris) as a model example.
质外体是一种独特的细胞外隔室中的植物组织即位于质膜外侧,并且包括细胞壁。叶的植物质外体隔室是几个重要的生物学过程,包括细胞壁的形成,细胞的营养物和水的吸收和出口,植物内生菌的相互作用和防御反应对病原体的部位。渗入离心法是公认的健壮技术关于各种植物品种的可溶性质外体组合物的分析。用这种方法获得的流体通常被称为质外体洗涤液(AWF)。以下协议描述为AWF提取菜豆 (芸豆)品种优化真空渗透和离心法。 Tendergreen叶。此方法和协议,用于其它植物物种的优化的局限性进行了讨论。回收AWF可以在宽的范围内的下游实验技术可用于TS寻求到质外体的组合物的特征,它响应于植物物种和基因型,植物发育和环境条件如何变化,或者确定微生物在质外体流体如何生长,并改变它的组合物反应。
植物质外体是细胞间隙包围的植物细胞。这是一个动态的环境中,许多代谢和运输过程中发生。质外体的主要结构部件是细胞壁,它被组装并通过位于质外体中的酶,结构蛋白和代谢物改性。在健康的植物细胞的质外体一般保持在酸性状态,允许氨基酸,糖和其它营养物可从质外体用H +同向转运1导入到细胞质中。期间蔗糖运输,从通过质外体和韧皮部进入脉管光合来源蔗糖移动;蔗糖然后通过由质外体间转化在水槽2的器官切割蔗糖保持了渗透势运输。糖和其他营养物质,也可以向上输送,并通过蒸腾流3积聚在气孔腔。
“>质外体也代表了环境的利基,许多病原体建立自己的寄生生活。细菌性植物病原体有乘高密度的质外体,它们通过自然开口,如气孔或通过伤口进入4的能力,氨基酸的浓度酸和其它含氮化合物在番茄质外体已被证明是足够的,以支持的细菌和真菌病原体5,6的营养需求。朝微生物病原体主要防御反应也发生在质外体,即产生活性氧物种由胞外过氧化物酶以及氧化酶和细胞壁的加强,通过交联和胼胝质沉积7所述的植物细胞壁中含有丰富的次级代谢产物具有抗微生物活性,这些次级代谢产物的生化性质物种8之间变化。如上述提及的结果编等工序,叶质外体液中含有的各种蛋白质,糖类,有机酸,氨基酸,次生代谢物,金属和其它阳离子( 例如,镁离子 , 钾离子 , 钠离子 , 钙离子,铁2/3的+)。溶质浓度芽的质外体是由质外体和木质部,韧皮部和细胞质9之间发生的运输过程的平衡很大程度上控制。然而,代谢反应和微生物的生长也消耗或产生质外体溶质。质外体的组合物是已知的植物物种和基因型之间响应于变化的环境条件包括光,营养和生物和非生物胁迫9不同。通过研究质外体的组成和它如何改变,包括例如氧化还原和渗透势,pH值,营养物/代谢物的可用性和酶活性的特性,可以得到新的见解植物如何重新有反应到他们的环境。理解或表征发生在质外体溶液中的分子的变化是复杂的,因为它是一个空间结构和动态隔室,其中代谢物和/或离子可以是挥发性的,短暂的或者与细胞壁和细胞膜相关联。此外,需要不同的分析技术来覆盖不同的化学类型的范围。
研究可溶性质外体的组合物中,流体通常需要从组织中提取。有几种方法提取质外体流体从各种组织,包括新提出的过滤带10的方法,但最悠久的提取方法叶子是渗透离心。这种技术已被评估之前11-13和Lohaus 等人,2001年14提供了许多方法的技术参数进行彻底的检查。所暗示的名称,渗透-centrifugation技术是基本上涉及到更换质外体空间的空气与水的渗透液,该混合与天然质外体液,接着通过所述叶片的温和离心回收的渗透/质外体的流体混合物的两步法。作为回收的流体稀释,并且不包含存在于质外体的所有化合物(见下文),该流体通常被称为质外体洗涤液(AWF),或有时间冲洗液,而不是质外体的流体。浸润离心技术是很容易可扩展的,允许将要生成,并进行了广泛的下游的生化和分析技术(足够的体积单或汇集AWF样品如蛋白质电泳,酶的活性测定,NMR许多类型色谱和质量法)。叶AWF也为质外体模仿生长培养基的研究植物微生物殖民机智的互动有用ħ他们的环境5。
在下面的协议,我们将介绍如何使用菜豆品种进行渗透离心技术。 Tendergreen叶,并提供下游分析的一些例子,重点放在代谢。重要的是,方法评估AWF质量沿着与建议提供给优化不同叶子类型的过程。
优化的植物组织源
执行质外体提取时,生物技术和变化可以很大,因而高度标准化的工作流程是有益的,以增加整个实验的连续性( 图1)。重要的是,植物组织的来源必须标准化,包括叶型,叶年龄,生长/环境条件和天( 表1)的时间。存在于与不同叶子渗入和AWF随后通过离心回收的容易性大的差异;这些差异与相关的气孔数量,光圈大小和叶肉阻力12,14。即使P.不同品种间寻常还有在易用性和AWF提取过程的产量差异较大;对于这里使用的Tendergreen各种例如叶子更适合使用这种方法比加拿大奇迹品种AWF提取。内夏枯草第一片真叶是最大的,也最容易渗透,使他们为质外体提取的不二之选。质外体的空气和水的体积已被证明随叶龄在几个物种导致AWF萃取12,14的差异。在P.寻常 ,老叶变得基本上更难渗透和产生离心后少AWF;因此,当他们达到充分扩张叶子收获。叶这是很难渗透随后要求较高的离心速度恢复AWF。每个人都应该因此,在决定一个组织来源大规模AWF拔牙前,仔细甄别几种不同的叶类型和品种。
植物的生长条件,还必须标准化尽可能的实验的范围内。使用生长柜,优选,因为它们允许一致的湿度,温度和照明要保持强度吨军团。叶的收获应该总是发生在一天的同一时间,因为代谢物, 酶等的浓度变化在整个昼夜循环14。最后,为了确保该植物叶都具有类似的膨压,将植物应尽快(〜1小时)在收获前浇水。
叶浸润和离心优化
所述AWF由于局部细胞裂解不可取细胞质污染将导致如果由所述细胞所遇到的机械应力是在渗透期间或离心步骤太高。因此,对于给定叶子类型的程序应该是最大化产量和最小化AWF细胞质污染之间的优化权衡。在所有情况下,应该使用最低离心速度,AWF可以回收,以避免叶细胞的可能的机械破坏。在centrifu优化gation速度应通过监测回收量和质外体污染在一定范围的离心速度凭经验确定每个叶型。已经观察到,标记酶的活动,如MDH,G6PDH和葡萄糖磷酸异构酶,保持低电平直到阈离心力超过,上述这些活动迅速增加,这可能是由于细胞质泄漏9,12,14。在离心分离步骤,用于支持使用封口膜,正如贝克等人的 2012 11,可以提高AWF提取的功效,并且可以最大限度地减少机械损伤引起的过度的折叠和压缩叶片。此外,使用封口膜离心后改善了叶片的可视化时,应该检查叶为AWF提取的损伤和完整性。
Nouchi 12描述AWF复苏的优化,从割稻叶的部分,这是ðifficult渗透和需要更高的速度离心收集,因为他们的小气孔开口AWF。改善了稻叶面上的润湿性,或者通过预浸泡的叶子在蒸馏水或添加表面活性剂以渗透流体的,促进了渗透过程。较高的离心速度(6000 XG),而监测质外体污染12也被使用。当使用切叶切片始终存在的风险是细胞质污染甚至会与伤口部位广泛洗涤更为普遍;切叶因此应该只在必要时使用。
对于许多研究蒸馏水被用作渗透流体11。然而,化合物可以被添加到渗透流体,例如盐或缓冲剂,以改善某些质外体化合物,尤其是蛋白质13的提取。 Lohaus 14评估的离子和渗透强度的效果Øn中回收AWF的组合物,并发现他们可以忽略不计。 pH变化的渗透介质的,但是,可能会影响到AWF组合物14。
适当的处理所提取的质外体流体和储存是重要的。 AWF已被证明含有丰富蛋白酶和其他酶的13,20,以及挥发性有机化合物。因此,为了减少改变AWF的恢复后,建议将样本保持在冰上或以其他方式储存在-80℃的组合物。此外,AWF的酶测定,应尽快进行萃取后,以限制酶失活是由于蛋白酶解,长时间稀释或冷冻解冻。
浸润的方法,稀释了质外体流体,这是常常需要确定该稀释的程度。离心步骤也可以稀释AWF与细胞内的隔间的水。稀释因子是需要当测量是在AWF做编辑估计在体内质外体化学品的浓度。的稀释因子,也需要集中AWF回全强度时,它被用作一个质外体模仿生长培养基为微生物-从而匹配体内代谢物浓度尽可能准确。几种变化在步骤4,通过测量加入到渗透液中的标志化合物的稀释液确定AWF稀释因子中记载的方法存在。对于所有方法AWF稀释计算假设渗透液没有明显吸收或AWF恢复过程中被稀释了叶细胞。这种假设先前已确认为渗透步骤14,但未经证实的离心步骤。标志化合物还必须不被吸收,转运或质外体的同时修改。靛蓝胭脂红是使用最广泛的和使用的染料的全面测试对于AWF稀释计算。靛蓝胭脂红显示低的吸收,以阳离子交换树脂和分离的细胞壁和被证明是适合AWF计算在欧洲油菜,豌豆,茄lycopersicum和大豆 11,21,22。然而,在一些叶类型, 例如,水稻,黄瓜,靛蓝胭脂红出现不能得到充分渗透,这将导致该AWF稀释因子12,21的低估后回收。靛蓝胭脂红的复苏的缺乏可能是由于它的敏感性裂解成靛红磺酸盐由超氧23,这是公知的,在质外体,以产生,尤其是在压力下24。裂解靛蓝胭脂红的成靛红磺酸盐将导致吸光度的损失在610 nm和增加在245纳米。是否该反应发生在质外体的明显程度,或是否该反应可以通过加入过氧化物清除剂,以infiltrat的抑制离子流体还没有调查最新的。蓝色葡聚糖已经用来代替靛蓝胭脂红用于水稻AWF稀释因子的量化叶12,尽管其在AWF稳定性和恢复尚未见报道。可替代地,可以用来代替染料和放射性的或测量并用于计算稀释因子以类似方式11,14,25浓度的降低放射性标记的化合物,例如[14 C]山梨糖醇或其他可量化的内部标准。
该技术的局限性
几个注意事项的渗透离心AWF隔离法存在。首先,质外体的浸润过程中稀释可引发从植物的响应。如果周围的叶细胞检测减弱浓度为质外体流体的某些组件,它们可以通过进一步排泄的代谢物,扭曲代谢物浓度的解释作出响应。在此问题的评估,观察到既不浸润和离心也不在渗透流体的离子强度适中的差异之间的时间影响所提取AWF 14,22的组成。因此,从质外体稀释被认为造成任何文物是微乎其微。
第二个潜在的缺点是,AWF通过离心洗脱不捕获所有存在的质外体有以下几个原因的分子。有些化合物,特别是阳离子和蛋白质可与带负电的细胞壁被紧密地相关联,并且不与AWF 13洗脱。其它分子如蛋白质可能过大,以有效地洗脱出的质外体中的用于14的离心速度。活性氧是一类重要的,在质外体产生的化合物,但由于这些化合物的短命的性质,以及它们的生产未指定的要求,他们的公关esence不能很好地AWF提取抓获。目前还不知道如何AWF准确代表质外体流体的体内组合物,这可能物种之间变化。
几个实验存在确定细胞质污染,虽然没有被普遍接受。的主要细胞质酶测定法( 例如,G6PDH,己糖磷酸异构酶,MDH)的特点,是容易进行的益处,但不能与细胞质泄漏14,18很好地相关。细胞质的代谢产物( 如己糖磷酸盐,叶绿素)的评估或许更指示,但并没有很好的建立11。然而,任一类型的测定可用于样品之间的质外体污染的相对定量是有用的。理想情况下,多个独立的测量应用于验证AWF样品的完整性。
虽然承认其局限性,渗透,centrifugati在这里描述的技术仍然在质外体蛋白质,初级和次级代谢产物和无机离子的研究一种简单而强大的技术。
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by grants BB/J016012/1 and BB/E007872/1 from the UK Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) to Gail Preston.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Eppendorf Microcentrifuge Tubes | Eppendorf | 22364111 | |
razor blade | Fisher | 12-640 | |
60 ml syringe | Becton Dickinson | 300865 | |
20 ml syringe | Becton Dickinson | 300613 | |
4 inch parafilm | Bemis | PM-996 | |
side arm flask | SciLabware | 12972831 | |
vacuum source | |||
5 ml pipette tips | Fisher | 50-813-28 | |
centrifuge | Beckman Coulter | 392932 | |
Swinging bucket rotor | Beckman Coulter | 369702 | |
indigo carmine | Sigma | I8130 | |
microplate reader | Tecan | Infinite 200 | |
96 well plates | Becton Dickinson | 353072 | |
freeze dryer | SciQuip | Christ Alpha 2-4 LD | |
microcentrifuge | biorad | 166-0612EDU | |
oxaloacetic acid | Sigma | O4126 | |
D-glucose-6-phosphate | Sigma | G7250 | |
NADH | Roche | 10128023001 | |
MDH assay kit | Biovision | K654-100 | |
G6PDH assay kit | Sigma | MAK015-1KT | |
G-6-P assay kit | Biovision | K657-100 | |
ribitol | Sigma | A5502 | |
methanol | Sigma | 650471 | |
chloroform | Sigma | 472476 | |
vacuum concentrator | Thermor Scientific | SC250EXP | |
methoxyamine hydrochloride | Sigma | 226904 | |
N-Methyl-N-(trimethylsilyl) trifluoroacetamide | Sigma | 394866 |