L'horloge circadienne régule environ un tiers du transcriptome Arabidopsis, mais le pourcentage de gènes qui se nourrissent de nouveau dans timekeeping reste inconnue. Ici, nous visualisons une méthode pour évaluer rapidement les phénotypes circadiens dans toute lignée mutante d'Arabidopsis en utilisant l'imagerie luminescente d'un journaliste circadien transitoirement exprimé en protoplastes.
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.
La plupart des organismes vivants possèdent un chronométreur endogène pour faciliter la négociation efficace des changements quotidiens dans l'environnement. Cette chronométreur, l'horloge circadienne, régule de nombreux aspects du métabolisme et la physiologie d'un organisme d'anticiper les changements prévisibles dans l'environnement externe. Chez les plantes , par exemple, l' anticipation des agents pathogènes ou herbivore attaques temporellement prévisibles réduit fortement la sensibilité globale 1-4. Le métabolisme de l' amidon est étroitement régulée par l'horloge circadienne pour assurer que les réserves d'amidon jusqu'à l' aube si cultivé dans des conditions longues ou courtes jour 5. En effet, les plantes avec des horloges circadiennes correspondant aux environnement montrent une augmentation des taux de croissance de 24 h, le taux de fixation de carbone et les taux de survie par rapport aux plantes en cours d' exécution d' une horloge de la période dépareillés 6. L'influence étendue des rythmes circadiens dans tous ces processus se présente dans une large mesure de la régulation rythmique jusqu'à un tiersdu transcriptome total Arabidopsis 7. Ces produits de gènes rythmiques sont impliqués dans un large éventail de processus cellulaires , y compris les voies métaboliques, la signalisation hormonale, et le stress des réponses 7. En plus de cela, la régulation circadienne directe de la fonction des protéines est établie par régulation circadienne de la phosphorylation 8 et plus probablement d' autres modifications post-traductionnelles (PTM).
Au centre de l'horloge circadienne qui entraîne cette reprogrammation transcriptionnelle quotidienne est un réseau de transcription / feedback translationnelle boucles (TTFLs), y compris les gènes du matin exprimé CIRCADIEN CLOCK ASSOCIATED 1 (CCA1) et TARD ELONGATED HYPOCOTYLE (LHY) qui répriment l'expression des gènes du soir TIMING dE CAB 1 (TOC1), GIGANTEA (GI) et les membres du complexe du soir (CE); LUX ARRHYTHMO (LUX), floraison précoce 3 (ELF3), et ELF4 9 – 11. wit Ensembleh les -Genès REGULATEUR PSEUDO DE RÉPONSE (pRR3, 5, 7 et 9), TOC1 refoule CCA1 / expression LHY alors que la CE agit comme un régulateur positif 12-14. Additionnel à des mécanismes de rétroaction, post-transcriptionnelle et post-traductionnelle régulation des composants du réseau TTFL joue un rôle important dans les rythmes circadiens tuning. À ce jour, le PTM le plus abondant identifié sur les protéines de l' horloge circadienne est la phosphorylation 15. La phosphorylation de CCA1 par Casein Kinase 2 (CK2) affecte sa liaison à cibler les promoteurs 16 et est important pour la compensation de température de l'horloge circadienne 17. Les protéines PRR sont phosphorylés différentiellement au cours du cycle circadien, et la phosphorylation de TOC1 affecte l' interaction avec son régulateur négatif, le composant d'horloge Zeitlupe soir phases (ZTL) 18. Ces exemples illustrent comment PTM et les interactions protéine-protéine syntoniser le réseau TTFL dans un h 24l'oscillateur de la transcription. Pour une présentation plus détaillée au réseau d'horloge de la transcription et de sa régulation, d' excellentes critiques récentes sont disponibles (par exemple , référence 15).
Cependant, ce qui reste moins clair est la mesure dans laquelle les processus réglementés rythmiquement et d'autres aspects du métabolisme cellulaire se nourrissent de nouveau dans le mécanisme de chronométrage lui-même. Vaste sélection de mutants d'Arabidopsis pour les défauts d'horloge pourrait obtenir une meilleure compréhension des mécanismes qui ou les voies de signalisation pourraient être impliqués dans la génération de 24 rythmes h à partir d'un réseau de TTFL. À cette fin, Kim et Somers précédemment publié une méthode de percée pour l'analyse efficace et rapide de la fonction d'horloge dans une ligne de Arabidopsis 19. Sur la base de l'utilisation de l'expression transitoire dans des protoplastes, cette méthodologie surpasse le besoin de lignées transgéniques stables ou centre pour lignes de marquage d'horloge luminescentes. Ici, nous visualisons un protoplaste isolatio à haut rendementn procédé 20 combiné avec un protocole optimisé pour cribler des défauts circadiens imagerie par luminescence des marqueurs d'horloge exprimés transitoirement dans un lecteur de plaque à 96 puits.
Nous allons comparer type sauvage Col- 0 Arabidopsis à des mutants d'horloge bien caractérisés pour confirmer la méthodologie décrite ici avec succès détecte les rythmes circadiens altérés. Protoplastes dérivés de ces lignes sont transfectées avec une construction de rapporteur qui exprime la luciférase de luciole à partir du promoteur DPA1 circadien; CCA1pro: LUC 19. Luciférase catalyse la réaction en plusieurs étapes dans lequel luciférine est converti excité électroniquement oxyluciférine qui émet de la lumière 21, qui est imagé au fil du temps pour évaluer la période, l' amplitude et la phase des rythmes de transcription dans ces protoplastes.
Le protocole est constitué de trois parties principales; l'isolement des protoplastes, transfecter des protoplastes avec le plasmide rapporteur et im luminescentvieillissement. Ces trois parties doivent toujours être effectuées sur un seul jour, en utilisant des tampons et des réactifs fraîchement préparés. La croissance des plantes et la purification de quantités suffisantes de plasmide rapporteur doivent être effectués à l'avance et ne sont pas visualisées dans ce protocole.
Ici, nous présentons un test rapide à l'écran circadiens défauts d'époque dans des lignées d'Arabidopsis, y compris l'isolement de protoplastes, la transfection, et l'imagerie par luminecent. La période circadienne de type sauvage Arabidopsis et l'horloge mutants CCA1 / lhy, ZTL et CCA1 -OX a été calculé à partir des mesures de luminescence d'un CCA1pro: reporter LUC et jugée compatible avec les données publiées générées à partir de plantes entières à l' aide de plus Time- consommant des approches transgéniques (tableau 2). L'utilisation de ce test pour cribler des mutants d'Arabidopsis évite l'exigence initiale pour générer des lignées transgéniques luminescentes, ce qui prend du temps et peut ne révéler qu'un mutant particulier présente des rythmes de type sauvage. Un avantage évident de ce protocole est que toute ligne de Arabidopsis peut être projeté en peu de temps pour les rythmes circadiens de transcription modifiés, ce qui permettra l'identification de plusieurs gènes affectant timekeeping dans les plantes.
<p class= "Jove_content"> Isolation des protoplastes peut être laborieux, surtout si la ligne mutant affiche un phénotype nain. Des procédés rapportés précédemment pour produire des protoplastes de coupe comportent des feuilles ou des plants en fines lamelles et le vide qui infiltrent les plaques avec une solution d'enzyme pour permettre aux enzymes d'atteindre les parois cellulaires 26,27. La digestion ultérieure nécessite au moins 3 heures d'incubation dans l'obscurité pour libérer les protoplastes dans la solution enzymatique. Lorsque l'infiltration sous vide est pas appliquée, la durée d'incubation jusqu'à 18 heures est conseillé. Dans le protocole présenté ici, l'infiltration sous vide est inutile car la couche cellulaire épidermique impénétrable aux enzymes est enlevé par la bande. Lors de la génération des protoplastes en coupant le matériel végétal, il est nécessaire de protoplastes séparer les débris de la paroi cellulaire après digestion; ceci est généralement fait par filtration de la solution ou de la purifier sur un 27,26 gradient de sucre. Ici, tout tissu non digérés restera sur la bande d'autoclave aprèsla digestion, de sorte que la filtration et la purification du sucre gradient des protoplastes peut être omise. Il y a une chance que le stress résultant de procédures de protoplastes prolongées affecte la viabilité cellulaire et l'horloge circadienne. La méthode de protoplastes sur bande 20 visualisés ici donne un nombre élevé de protoplastes; et compte tenu de la viabilité des cellules au cours d' une série temporelle du rythme circadien et les longueurs des périodes correspondantes de protoplastes et de plants entiers (tableau 2), la méthode décrite ici , on préfère plus d' autres méthodes pour générer des protoplastes.L'étape de transfection du protocole est une étape critique qui a un impact sur la viabilité des protoplastes. La solution de PEG permet à l'ADN qui doit être délivré dans la cellule, et à la fois du temps d'incubation dans cette solution (étape 3.4) et le pourcentage du PEG doit être déterminée de manière empirique. La concentration standard est de 20%, avec des concentrations plus faibles en réduisant l'efficacité de la transformation ultérieure etLes concentrations en réduisant la viabilité 28. Temps aussi court que cinq minutes d'incubation pourrait donner une transfection efficace des protoplastes 27.
Les protoplastes peuvent être visualisés sur une plate-forme d'imagerie luminescente. Dans cette vidéo, nous avons utilisé un lecteur de plaque de luminescence équipée avec des lumières extérieures (rouge et LED bleues, 630 et 470 nm, respectivement, à une intensité combinée de ~ 20 uE), qui permet le criblage à haut débit et des mesures fréquentes. Autre équipement d'imagerie qui détecte la luminescence, tels que les lecteurs ou les configurations de plaques alternatives basées autour d'un dispositif (CCD) à couplage de charge, pourrait être appliquée aussi bien aussi longtemps que l'éclairage est disponible pour la photosynthèse. L'avantage d'utiliser une caméra CCD monté sur un meuble commandé est que la lumière et la température peut être programmé. Un inconvénient est le temps de capture plus, l'introduction de longues périodes d'obscurité qui peut causer un stress aux protoplastes en plus perturberaiting timekeeping endogène. Quelle que soit la plate-forme expérimentale est choisie, le réglage des paramètres est susceptible d'être nécessaire par rapport aux paramètres pour les semis ou les plantes matures. Dans notre expérience, ce qui augmente les concentrations de plasmide rapporteur pendant la transfection et / ou luciférine dans le tampon d'imagerie peut résoudre tous les rythmes erratiques ou d'amortissement rapide qui pourraient survenir dans les premières expériences.
Dans des expériences futures, la méthode décrite ici peut être appliquée à l'étude du phénotype circadien d'une ligne d'Arabidopsis mutante. Avec des modifications mineures, par exemple l'effet de divers médicaments sur timekeeping pourrait être étudié dans cette configuration. En outre, la transfection peut être modifié pour inclure microARN artificiel pour silençage génique 19, élargissant ainsi la polyvalence de ce protocole. Protocoles pour générer des protoplastes de riz sont bien établies 29 et le protocole d'imagerie présentées ici pourraient également être appliqués pour faire avancer notre uCOMPRENDRE de l'horloge dans économiquement importantes plantes cultivées monocotylédones.
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 |