This protocol describes a method to test the hypothesis that the reversal of the effective geomagnetic field (GMF) induces differential gene expression and alters the morphology of Arabidopsis thaliana. A triaxial octagonal system of Helmholtz coil-pairs was used to artificially generate reversed GMF conditions in the plant growth chamber.
植物の進化の中で最も刺激的な観察の一つは、地球磁場の発生(GMF)逆転(またはエクスカーション)と被子植物の放射の瞬間との間の相関です。これは、GMFの極性の変化が植物の進化において役割を果たし得るという仮説につながりました。ここでは、人工的にGMF条件を逆にするシロイヌナズナを暴露することによって、この仮説を検証する方法を説明します。我々は、三軸磁力計を使用し、収集されたデータは、GMFの大きさを計算するために使用しました。 3つのDC電源装置は、3つのヘルムホルツコイル対に接続され、GMF条件を変更するために、コンピュータによって制御しました。ペトリプレートで生育した植物は、通常の両方に暴露し、GMF条件を逆転しました。シャム曝露実験も行いました。露出された植物は、実験中に撮影され、画像は、根長と葉の面積を計算するために分析しました。シロイヌナズナ全RNAを抽出し、定量しましたリアルタイムPCR(定量PCR)は、 ルシフェリン3(CRU3)、銅輸送protein1(COTP1)、レドックス応答性転写Factor1(RRTF1)、鉄スーパーオキシドジスムターゼ1(FSD1)、Catalase3(CAT3)、Thylakoidalの遺伝子発現分析を行いましたアスコルビン酸ペルオキシダーゼ(TAPX)、細胞質ゾルアスコルビン酸Peroxidase1(APX1)、および NADPH /呼吸バーストオキシダーゼタンパク質D(RbohD)。四つの異なる参照遺伝子は、定量PCRの結果を標準化するために分析しました。 4つの遺伝子の最良を選択し、正規化のための最も安定した遺伝子を使用しました。我々のデータは、三軸コイルを用いGMFの極性を反転することは、植物の成長および遺伝子発現に対する有意な効果を有することを初めて示しています。これは、最終的にはPにつながる、より高い選択圧を正当化する可能性がGMF反転が植物の発育の変化を誘導することに貢献するという仮説を支持しますLANT進化。
地球の磁場(または同等地磁気、GMF)は植物を含む地球に住むすべての生物のための避けられない環境因子です。 GMFは、常に地球の自然の特徴となっているので、進化の過程で、すべての生物は、その作用を経験しました。証拠の増加体は、GMFは、多くの生物学的プロセスを1に影響を与えることができることを示しています。 GMFは、一様ではなく、地球の表面で、その大きさと方向を大幅に地元の違いがあります。地球の表面のGMFは30未満、μTから約70μTに至るまで、大きさの広い範囲を示しています。 GMFは、磁気圏2を介して 、その荷電粒子の大部分を偏向させることにより太陽風の致死効果から、地球とその生物圏を保護します。
植物は環境刺激に応答します。そして、このような光や重力などの非生物的要因への古典的な応答は、トンでしたhoroughlyいわゆる屈光性や重力屈性応答を定義することによって説明。非常に少ない、または何も、このトピックに公開され、最近では1件の論文の過多にもかかわらず、知覚と磁場に対する植物の応答のメカニズムに知られています。重力場とは違って、GMFは、それによって、最近、最終的に植物の多様化と分化2に貢献する潜在的な駆動力と考えられてきた重要な非生物的ストレス要因を表す植物進化の間に一貫して変化しました。地磁気逆転(またはエクスカーション)はGMFの極性が変化しています。地球の生命を歴史の中で、GMFの反転は数回発生しました。これらは、すべての極性遷移の間に減少GMF強度の期間に惑星を露呈しました。一部の著者は、低GMF強度のこれらの遷移期間は、それによってAを誘導する、太陽風からの電離放射線は地球の表面に到達させたかもしれないという仮説を立てています最終的には植物の進化2につながる遺伝子変化を誘導するのに十分な強されている可能性が生物への一貫したストレス、。
植物における磁場の効果を説明した実験の詳細な分析は、妥当な生物物理学的相互作用機構の不足により特徴付けられる相反する多数のレポートを示します。他の人は最終的に、3を説得している、検証可能な仮説を欠き、一方で多くの実験は、単に非現実的です。過去数年にわたり、植物の磁場の影響に関する研究の進捗状況とステータスが2,4-11を検討されています。最近では、両方の低域と高磁場の影響を完全に植物の進化2のGMF反転イベントの関与に特に焦点を当てて、1を検討されています。
GMFの反転は、植物の進化に影響を与えるという仮説を実証するための最も直接的な手段GMFを合成することです正常な、逆磁場条件に対する植物の応答を試験することにより実験室で逆転。仮説を検証するために、我々は、したがって、正確に通常のGMF条件を逆転させることができる三軸八角ヘルムホルツコイル対の磁場補償制度(三軸コイル)を、構築されました。
我々は、モデル植物としてシロイヌナズナを用いて、我々はいくつかの重要な遺伝子の遺伝子発現に対する逆GMFの効果テスト: ルシフェリン3(CRU3)、チロシンリン酸化され、そのリン酸化状態が対応して変調された12S種子貯蔵タンパク質をコードしますシロイヌナズナの種子 12,13におけるABAへ。土壌Cuの取得と花粉の開発14において支配的な機能を持つ重金属輸送/解毒スーパーファミリータンパク質をコードしている銅交通Protein1(COTP1);そして、 レドックス応答性転写Factor1(RRTF1)、すなわち、ERF(エチレン応答因子)サブファミリーB-3遺伝子発現経路の相乗的な共活性化を促進し、非生物的および生物15の応力に交差耐性を与える1 AP2ドメインを含むERF / AP2転写因子ファミリーのメンバーをコードします。
(O 2 – )と水(H 2 O)、過酸化水素(H酵素的に、迅速にスーパーオキシドアニオンに変換する細胞質酵素をコードしたFeスーパーオキシドDismutase1、(FSD1):また、我々はまた、酸化ストレス応答に関与する5つの遺伝子を分析しました水と酸素17,18へのH 2 O 2分解を触媒 Catalase3(すなわち、コードすることCAT3)、および酵素; 2 O 2)、酸素分子(O 2)16 Thylakoidalアスコルビン酸ペルオキシダーゼ(TAPX)、符号化しH 2 Oを捕捉する葉緑体チラコイドペルオキシダーゼ2 19; H 2 O 2を捕捉すると、NO-20由来の分子によって媒介される翻訳後修飾の潜在的な標的の一つを表すサイトゾルペルオキシダーゼをコードしているアスコルビン酸Peroxidase1(APX1)は 、 O 2を生成する酵素エンコードNADPH- 呼吸バーストオキシダーゼタンパク質D(RbohD) –とシロイヌナズナ21の成長、開発、ストレス応答の調節に重要な役割を果たしているが。
我々のフィールド反転方法はGMF反転がAの形態および遺伝子発現の有意な変化を誘導し得るという最初の証拠を提供しますシロイヌナズナの根と芽。このプロトコルは、植物形態学および遺伝子発現に対するGMF反転の効果を評価するための革新的な方法を提供し、プラントの動作の他の側面にGMF反転の潜在的な影響を評価するために使用することができ、それによりROの議論を導きます植物の進化のGMF逆転のル。
我々は最近、驚くべき相関がGMFの反転および家族被子植物の系統のほとんどの転換が2に発生した時間の間に存在することを示しました。しかし、刺激仮説多様GMF強度の効果に関する研究の過多にもかかわらず、GMF反転自体が植物遺伝子発現および形態に有意な変化を誘導する可能性があるという仮定が実証されていません。ここでは、初めて我々の研究室でGMFを逆にする三軸八角形のヘルムホルツコイルを使用し、周囲の磁場の反転が表現型の変化や植物における遺伝子発現の調節を引き起こす可能性があることを方法を示しています。
植物成長実験(2×2×2 m 3で)のに十分な量の上GMF反転(または変更)を得るために、我々は、八角形のヘルムホルツコイルシステムを構築しました。このシステムは、(通常、ヘルムホルツコイルがリング状であり、小さい方)市販されていませんそして、建設のためのコストがかなりありました。重要なことは、このシステムが変更された磁場中で例外的な時間の安定性と均一性で、堅牢なフィールドの変更を実現します。
システムは正常な状態の千にGMFの値を小さくしたり、磁場の3次元のいずれかを逆転させるために設計され、構築されています。しかしながら、コイルの設計は、高い磁場強度を生成することはできません。したがって、本形態では、この器具は、植物または他の生物に高磁場強度の効果を評価するために設計した実験には適していません。
研究室では、この方法に記載したものと同様のGMFの変化は、磁場を外れると、金属自体の中でそれらを濃縮する高透磁率を有する強磁性金属板によって実験ゾーンを囲むことによりシールドを含む、様々な方法によって得られました。目ヘルムホルツコイルを使用しての電子の利点は、システムは、このようにそれだけでなく、in vitro試験のための(ペトリ皿の使用と同様に)理想的なだけでなくなって、植物がより自然条件(光、空気循環等 )にさらされることを可能にすることですインビボでの植物の成長及び発達実験のため。我々のシステムの寸法は、このようにいくつかのペトリ皿またはいくつかの小さなをホストできるように、( 図1Aを参照してください )25×25×25 cm 3の球状の体積全体の自然GMFの<1 /第千まで抑制することができるスペースを作成植物の成長のためのポット。
ここに提示される方法は、生物学の研究を植物に適用されてきました。しかし、このシステムは、ウイルス学や微生物学だけでなく、線虫の研究(例えば、 線虫(Caenorhabditis elegans))、(マウスおよびラットを含む)節足動物や小動物などの実験の広い範囲を、可能にします。 GMFの反転が可能であるという仮説のため、テスト形態学的および転写の変化を誘発することもあっても、ヒトの細胞に、おそらく最終的に、多くの他の生体系に拡張することができます。
GMFは、常に変化と変動しています。したがって、我々の実験で一つの主要な課題は、所望の新しいGMF値を得るために、GMFの一定の補償を提供することにあります。これは、磁力値及び電圧補償の読み取りを介して磁界値を連続的に制御することによって達成することができます。したがって、システムはGMFのゆっくりと変化する部分を補うことができますが、それは、より高い周波数の変動を何もしません。
結論として、GMFベクトルを逆にする三軸コイルの使用は、GMFベクトルのこの逆転は、植物形態学的変化と差動遺伝子発現を誘導することができることを実証するために尽力しました。提示される方法を用いて得られた結果は、仮説GMF再を支持する説得力のある証拠を提供しますversalsは、地質学的時間スケール2の上に植物の進化のための原動力の一つとなっている可能性があります。
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by a grant to MEM from the Dept. of Life Sciences and Systems Biology of the University of Turin, Italy. The authors thank G. Gnavi for technical assistance during some experiments. CTR is funded by the Wellcome Trust and the Royal Society (Grant Number 098436/Z/12/Z).
three-axis magnetometer | Bartington | Mag-03MC | triaxial fluxgate magnetometer |
Magnetometer power supply | Bartington | Mag-03PSU | triaxial fluxgate magnetometer |
Magnetometer software | Bartington | Mag03DAM | triaxial fluxgate magnetometer |
DC power supply | Agilent Technologies | E3642A | |
Calcium hypochlorite | Sigma | 211389 | |
Triton X-100 | Sigma | X100 | |
Ethanol | Sigma | 2860 | |
GroLux Sodium vapor lamps | OSRAM Sylvania | 600W | |
RNeasy Plant RNA kit | Qiagen | 74903 | |
RNase-Free DNase | Qiagen | 79254 | |
Agilent 2100 Bioanalyzer | Agilent Technologies | G2938B | |
NanoDrop ND-1000 | Thermo Fisher Scientific | not available | |
High-Capacity cDNA Reverse Transcription Kit | Applied Biosystems | 4368813 | |
Mx3000P | Agilent Technologies | 401512 | |
2X MaximaTM SYBR Green qPCR Master Mix | Fermentas International, Inc | K0221 | |
Parafilm | Sigma | P7793-1EA | |
Murashige and Skoog Basal Medium | Sigma | M5519 | |
Petri dish square (120×120) | Sigma | Z692344 |