概日時計は、シロイヌナズナのトランスクリプトームの約3分の規制が、計時にフィードバックされる遺伝子の割合は不明のまま。ここでは、急速に一過プロトプラスト内で発現の概日レポーターの発光イメージングを使用して、シロイヌナズナのいずれかの変異体のラインに概日表現型を評価するための方法を視覚化します。
The plant circadian clock allows the anticipation of daily changes to the environment. This anticipation aids the responses to temporally predictable biotic and abiotic stress. Conversely, disruption of circadian timekeeping severely compromises plant health and reduces agricultural crop yields. It is therefore imperative that we understand the intricate regulation of circadian rhythms in plants, including the factors that affect motion of the transcriptional clockwork itself.
Testing circadian defects in the model plant Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) traditionally involves crossing specific mutant lines to a line rhythmically expressing firefly luciferase from a circadian clock gene promoter. This approach is laborious, time-consuming, and could be fruitless if a mutant has no circadian phenotype. The methodology presented here allows a rapid initial assessment of circadian phenotypes. Protoplasts derived from mutant and wild-type Arabidopsis are isolated, transfected with a rhythmically expressed luminescent reporter, and imaged under constant light conditions for 5 days. Luminescent traces will directly reveal whether the free-running period of mutant plants is different from wild-type plants. The advantage of the method is that any Arabidopsis line can efficiently be screened, without the need for generating a stably transgenic luminescent clock marker line in that mutant background.
ほとんどの生物は、環境への日々の変化を効率的に交渉を支援するために、内因性のタイムキーパーを持っています。このタイムキーパー、概日時計は、外部環境の予測可能な変化を先取りするために、生物の代謝および生理学の多くの側面を規制しています。 4 –例えば植物では、時間的に予測可能な病原体や草食動物の攻撃の期待が強く、全体的な感受性1を低減します。デンプン代謝はしっかりと長いまたは短日条件5で成長したかどうかを夜明けまで、最後のその澱粉の埋蔵量を確保するために、体内時計によって制御されています。確かに、24時間の環境ショーに一致する概日時計を持つ植物は、ミスマッチ期間6のクロックを実行している植物に比べて成長率、炭素固定率と生存率を増加させました。すべてのこれらのプロセスにおける概日リズムの広範な影響が最大のリズミカルなレギュレーションから三番目に大きく発生しますシロイヌナズナ7の全トランスクリプトームの。これらのリズミカルな遺伝子産物は、代謝経路、ホルモンシグナル伝達、およびストレス応答7を含む細胞プロセスの広い範囲に関与しています。その上で、タンパク質機能の直接の概日調節は、リン酸化8の概日調節およびおそらく他の翻訳後修飾(PTMを)によって確立されています。
この毎日の転写再プログラミングを駆動する概日時計の中心に/翻訳フィードバックは朝発現遺伝子を含む(TTFLs)を、ループの転写のネットワークがある発現を抑制概日時計ASSOCIATED 1(CCA1)とLATE細長い胚軸(LHY)夕方の遺伝子のCAB 1(TOC1)のタイミング、GIGANTEA(GI)と夜の複合体(EC)のメンバーの、LUX不整脈(LUX)、早咲き3(ELF3)、およびELF4 9から11まで 。一緒にウィットH 疑似レスポンスレギュレーターの -genes(PRR3、5、7、および9)ECが正レギュレータ12として機能するのに対し、TOC1は CCA1 / LHYの発現を抑制する– 14。 TTFLネットワークコンポーネントの、フィードバック機構に追加の転写後及び翻訳後の調節は、チューニング概日リズムに重要な役割を果たしています。現在までに、概日時計タンパク質の同定された最も豊富なPTMは、リン酸化15です。カゼインキナーゼ2(CK2)によるCCA1のリン酸化は、そのは、プロモーター16と概日時計17の温度補償のために重要であるが標的への結合に影響します。 PRRタンパク質を差動概日周期の上にリン酸化され、TOC1のリン酸化は、その負の調節因子との相互作用に影響を及ぼしている、夜、段階的なクロック成分ZEITLUPE(ZTL)18。これらの例は示してどのように24時間へのPTMおよびタンパク質 – タンパク質相互作用のチューニングTTFLネットワーク転写発振器。転写クロック・ネットワークとその規制のより詳細な概要については、優れた最近のレビューは、( 例えば 、15を参照)が使用可能です。
しかし、どのようなそれほど明らか残っているのはリズミカルに戻って時計機構自体に細胞代謝フィードのプロセスや他の側面を規制する程度です。クロック欠陥のためのシロイヌナズナ変異体の大規模なスクリーニングはTTFLネットワークから24時間のリズムの生成に関与することができたメカニズムやシグナル伝達経路のさらなる理解を得ることができました。このため、Kimとサマーズは、以前に任意のシロイヌナズナライン19における時計機能の効率的かつ迅速な分析のためのブレークスルー方式を発表しました。プロトプラストにおける一過性発現の使用に基づいて、この方法は、安定したトランスジェニック系統の必要性を上回るまたは発光クロックマーカーラインに交差します。ここでは、高収量プロトプラストisolatioを可視化最適化されたプロトコルと組み合わせたn個の方法20は、96ウェルプレートリーダー中で一過性に発現クロックマーカーの蛍光イメージングによる概日欠陥をスクリーニングします。
我々は、変更された概日リズムを検出し、ここで正常に記載の方法を確認するために、十分に特徴づけクロック変異体に野生型Col- 0シロイヌナズナを比較します。 LUC 19:CCA1pro;これらの株由来のプロトプラストは、概日CCA1プロモーターからホタルルシフェラーゼを発現するレポーター構築物でトランスフェクトされています。ルシフェラーゼはルシフェリンを、これらのプロトプラストにおける転写リズムの周期、振幅及び位相を評価するために時間をかけて撮像される光21を出射する電子的に励起オキシルシフェリンに変換された多段階の反応を触媒します。
プロトコルは、三つの主要な部分で構成されています。レポータープラスミド、及び発光イムでプロトプラストをトランスフェクション、プロトプラストの単離エージング。これらの3つの部分が常に新たに調製した緩衝液および試薬を用いて、単一の日に行われるべきです。レポータープラスミドの十分な量の植物成長及び精製は、事前に行われるべきであり、このプロトコルで可視化されていません。
ここでは、プロトプラストの分離、トランスフェクション、およびluminecentイメージングを含むシロイヌナズナ系統における概日周期欠陥をスクリーニングするための迅速なアッセイを、提示します。野生型シロイヌナズナとクロック突然変異体CCA1 / LHY、ZTL、及びCCA1 -OXにおける概日周期はCCA1proからの発光の測定値から算出した:LUCレポーター、よりタイムを使用して、全体の植物から生成された公開されたデータと一致することが見出されかかるトランスジェニックアプローチ( 表2)。シロイヌナズナ変異体をスクリーニングするために、このアッセイを使用することは時間がかかり、かつ、特定の変異体は、野生型のリズムを示すことを明らかにする可能性がある、トランスジェニック輝線を生成するための初期要件を回避します。このプロトコルの明確な利点は、植物における計時に影響を与える複数の遺伝子の同定を助けるであろう、任意のシロイヌナズナラインが変更された概日転写リズムのために短時間でスクリーニングすることができるということです。
<p class= "jove_content">プロトプラストの単離は、変異体のラインが矮小化表現型を表示する場合は特に、面倒なことができます。プロトプラストを生成するために、以前に報告された方法は、酵素が細胞壁26,27に到達させるために、酵素溶液でストリップを浸潤薄いストリップと真空中に葉や苗を切断することを含みます。その後の消化酵素溶液にプロトプラストを解放するために暗闇の中で、少なくとも3時間のインキュベーションを必要とします。真空浸潤を適用しない場合は、18時間のインキュベーション時間アップをお勧めします。酵素に対する不透過性上皮細胞層がテープによって除去されるので、ここに提示プロトコルでは、真空浸潤は不要です。植物材料を切断してプロトプラストを生成する際には、消化後に細胞壁の破片からプロトプラストを分離する必要があります。これは、典型的には、溶液を濾過または糖勾配27,26上で精製することにより行われます。ここでは、任意の未消化の組織は、後にオートクレーブテープ上に残ります消化ので、プロトプラストの濾過および糖勾配精製を省略することができます。長時間のプロトプラストの手順に起因するストレスが細胞生存率と概日時計に影響を与える可能性があります。ここで可視化し、テープベースのプロトプラスト法20は、プロトプラストの高い数を出します。概日、時系列上での細胞の生存能力を与えられ、プロトプラスト全体実生( 表2)のマッチング期間の長さは、ここで説明する方法は、プロトプラストを生成するための代替方法よりも好ましいです。プロトコルのトランスフェクション工程は、そのプロトプラストの生存率に影響を与える重要なステップです。 PEG溶液は、この溶液(段階3.4)で細胞に送達されるDNA、および両方のインキュベーション時間を可能にし、PEGの比率は、経験的に決定されるべきです。標準濃度が低い形質転換効率を低下させる濃度以上では、20%であり、生存能力28を減少させる濃度。 5分ほどの短いインキュベーション時間は、プロトプラスト27の効率的なトランスフェクションをもたらす可能性があります。
プロトプラストは、任意の発光イメージングプラットフォーム上に結像することができます。このビデオでは、我々はハイスループットスクリーニングおよび頻繁な測定を可能にします(〜20μEの複合強度で、それぞれ、赤と青のLED、630および470 nm)の外部ライトを搭載した発光プレートリーダーを、使用しています。照明は、光合成のために利用可能であるような電荷結合素子(CCD)カメラをベース代替プレートリーダーやセットアップなどの発光を検出する他の撮像装置は、長いように等しく良好に適用することができます。制御キャビネットに搭載されたCCDカメラを使用することの利点は、軽量で、温度をプログラムすることができます。欠点は、混乱させるに加えてプロトプラストにストレスを引き起こす可能性が暗闇の長期間を導入し、より長い捕捉時間です内因性の計時をる。かかわらず、実験プラットフォームが選択された、設定の調整は、苗や成熟植物の設定に比べて必要である可能性が高いです。我々の経験では、イメージング・バッファ内のトランスフェクションおよび/またはルシフェリン中にレポータープラスミドの濃度を増加させると、初期の実験で発生する可能性のある不規則なまたは迅速湿リズムを解決する可能性があります。
将来の実験では、ここで説明する方法は、任意の変異シロイヌナズナ線の概日表現型を研究するために適用することができます。軽微な変更では、計時上など様々な薬物の効果は、このセットアップで研究することができました。さらに、トランスフェクションは、さらに、このプロトコルの汎用性を拡大する、19遺伝子サイレンシングのための人工マイクロRNAを含むように修飾することができます。イネプロトプラストを生成するためのプロトコルは、29十分に確立されており、ここで紹介する撮像プロトコルは、均等に私たちのUを促進するために適用することができます経済的に重要な単子葉作物植物におけるクロックのnderstanding。
The authors have nothing to disclose.
We would like to thank Prof. David Somers and Dr. Jeongsik Kim for the luciferase reporter plasmid and initial method development. Prof. Karen Halliday kindly provided all the circadian mutant lines used in this study. This research was supported by Royal Society research grants RS120372 and RS140275. GvO is a Royal Society University Research Fellow (UF110173).
CELLULYSIN Cellulase, Trichoderma viride | Merck Millipore | 219466 | |
Pectinase R10 | Sigma Aldrich | P2401 | |
D-mannitol | Sigma Aldrich | M4125 | |
CaCl2 | Sigma Aldrich | C4901 | |
KCl | Sigma Aldrich | P3911 | |
Bovine Serum Albumin | Sigma Aldrich | A4503 | |
MES | Acros Organics | 327765000 | |
NaCl | Acros Organics | 327300010 | |
Glucose | Fischer Scientific | G/0500/60 | |
MgCl2 | Sigma Aldrich | M2670 | |
Polyethylene glycol (PEG) 4000 | Acros Organics | 434630010 | |
Fetal Bovine Serum | Sigma Aldrich | F4135 | |
D-Luciferin, Firefly | Biosynth AG | L-8200 | Dissolve luciferin powder in 0.1M trisphosphate buffer pH 8.0 to a concentration of 50mM |
Ampicillin | Sigma Aldrich | A9618 | |
Comply Steam Indicator Tape | 3M | 1222 | |
Magic Tape | 3M | 819-1460 | |
Petri Dishes | Scientific Laboratory Supplies | SLS2002 | |
Microplate, 96 well, flat bottom, white | Greiner Bio-One | 655075 | |
TopSeal-A, adhesive lids for 96-well plates | Perkin Elmer | 6050195 | |
Syringe, 10 ml, w/o needle | BD Plastipak | 302188 | |
Syringe filter 0.22 µm | Merck Millipore | SLGP033RS | |
Biological Rhythms Analysis Software System (BRASS) | Free download at amillar.org | ||
QIAfilter Maxiprep Kit | Qiagen | 12262 | |
Modified Fuch-Rosenthal counting chamber, double cell | Hawksley | AC6000 | |
Bright field microscope | Optika Microscopes | B-150POL-B | |
LB942 TriStar2 multimode reader, with luminescence module | Berthold Technologies Ltd | 57947/57948 |