L'orologio circadiano regola circa un terzo del trascrittoma di Arabidopsis, ma la percentuale di geni che alimentano di nuovo nel cronometraggio rimane sconosciuto. Qui visualizziamo un metodo per valutare rapidamente fenotipi circadiani in qualsiasi linea mutante di Arabidopsis utilizzando immagini luminescenti di un reporter circadiano transitoriamente espresso in protoplasti.
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 maggior parte degli organismi viventi possiedono una cronometrista endogena per aiutare efficiente negoziazione di variazioni giornaliere per l'ambiente. Questo cronometrista, l'orologio circadiano, regola molti aspetti del metabolismo e la fisiologia di un organismo di anticipare i cambiamenti prevedibili nell'ambiente esterno. Nelle piante, per esempio, l'anticipazione di patogeni o erbivori attacchi temporalmente prevedibili riduce fortemente la suscettibilità complessivo 1-4. Metabolismo L'amido è strettamente regolata dall'orologio circadiano al fine di garantire che le riserve di amido scorso fino all'alba se cresciuti in condizioni di lunghe o corte al giorno 5. In effetti, le piante con gli orologi circadiani corrispondenti ai ambiente spettacolo aumento dei tassi di crescita 24 ore, i tassi di fissazione del carbonio e il tasso di sopravvivenza rispetto agli impianti che eseguono un orologio di periodo non corrispondenti 6. L'ampia influenza dei ritmi circadiani in tutti questi processi deriva in larga misura dalla regolazione ritmico di fino a un terzodel trascrittoma totale in Arabidopsis 7. Questi prodotti genici ritmiche sono coinvolti in una vasta gamma di processi cellulari tra cui vie metaboliche, segnalazione ormonale, e le risposte allo stress 7. In cima a quello, la regolazione circadiana diretta della funzione della proteina è stabilita dal regolamento circadiano della fosforilazione 8 e molto probabilmente altre modificazioni post-traduzionali (PTM).
Al centro dell'orologio circadiano che guida questa riprogrammazione trascrizionale quotidianamente si trova una rete di trascrizione / feedback traslazionale loop (TTFLs), compresi i geni del mattino-espresso circadiani CLOCK collegate 1 (CCA1) e tardiva ALLUNGATA hypocotyl (LHY) che reprimere l'espressione dei geni sera TIMING dELLA CABINA 1 (TOC1), GIGANTEA (GI) ei membri del complesso sera (CE); LUX ARRHYTHMO (LUX), fioritura precoce 3 (ELF3), e ELF4 9 – 11. insieme ingegnoh le -Genès REGOLATORE PSEUDO risposta (PRR3, 5, 7 e 9), TOC1 reprime CCA1 espressione / LHY mentre la CE agisce come un regolatore positivo 12 – 14. Ulteriori meccanismi di retroazione, post-trascrizionale e post-traslazionale regolazione dei componenti di rete TTFL svolge un ruolo importante in ritmi circadiani tuning. Fino ad oggi, il PTM più abbondante identificato sulle proteine orologio circadiano è fosforilazione 15. La fosforilazione di CCA1 da Casein Kinase 2 (CK2) colpisce il suo legame di indirizzare i promotori 16 ed è importante per la compensazione della temperatura dell'orologio circadiano 17. Le proteine PRR sono fosforilati differenziale nel corso del ciclo circadiano, e la fosforilazione di TOC1 colpisce interazione con il suo regolatore negativo, la sera-phased componente orologio Zeitlupe (ZTL) 18. Questi esempi illustrano come PTM e le interazioni proteina-proteina sintonizzare la rete TTFL in 24 oreoscillatore trascrizionale. Per una più dettagliata introduzione alla rete di clock trascrizionale e la sua regolazione, recensioni eccellenti recenti sono disponibili (ad esempio di riferimento 15).
Tuttavia, ciò che rimane meno chiaro è la misura in cui i processi ritmicamente regolamentati e altri aspetti del metabolismo cellulare feed back nel meccanismo di misurazione del tempo per sé. Ampia selezione di mutanti di Arabidopsis per difetti di clock potrebbe ottenere una maggiore comprensione di quali meccanismi o vie di segnalazione potrebbero essere coinvolti nella generazione di 24 ritmi hr da una rete TTFL. A tal fine, Kim e Somers pubblicati in precedenza un metodo di break-through per l'analisi efficiente e rapida di funzione orologio in qualsiasi linea Arabidopsis 19. Basato sull'utilizzo di espressione transiente in protoplasti, questa metodologia supera la necessità di linee transgeniche stabili o mette a linee marcatore orologio luminescenti. Qui, visualizziamo un alto rendimento isolatio protoplastiMetodo n 20 in combinazione con un protocollo ottimizzato per schermare difetti circadiani di immagini luminescente marcatori orologio transitoriamente espressi in un lettore di piastre a 96 pozzetti.
Confronteremo wild-type Col- 0 Arabidopsis di mutanti di clock ben caratterizzati per confermare la metodologia descritta qui con successo rileva ritmi circadiani alterati. Protoplasti derivati da queste linee sono transfettate con un costrutto giornalista che esprime lucciola luciferasi dal promotore CCA1 circadiano; CCA1pro: LUC 19. Luciferasi catalizza la reazione multistadio in cui luciferina viene convertito eccitato elettronicamente oxyluciferin che emette luce 21, che viene ripreso nel tempo per valutare il periodo, ampiezza e fase dei ritmi trascrizionali in questi protoplasti.
Il protocollo è costituito da tre parti principali; isolare i protoplasti, transfecting i protoplasti con il plasmide giornalista, e im luminescentiinvecchiamento. Queste tre parti devono essere sempre eseguite in un solo giorno, utilizzando tamponi e reagenti preparati al momento. La crescita delle piante e la purificazione di quantità sufficienti di giornalista plasmide devono essere eseguiti in anticipo e non sono visualizzati in questo protocollo.
Qui, vi presentiamo un rapido test per lo screening difetti periodo circadiani nelle linee di Arabidopsis, tra cui l'isolamento di protoplasti, trasfezione, e di imaging luminecent. Il periodo circadiano nel wild-type Arabidopsis e l'orologio mutanti CCA1 / Lhy, ZTL, e CCA1 -OX è stato calcolato da misure di luminescenza da un CCA1pro: giornalista LUC ed è risultato essere coerenti con i dati pubblicati generati dalle piante intere che utilizzano più tempo- consumano approcci transgenici (Tabella 2). Usando questo test per lo screening mutanti di Arabidopsis evita il requisito iniziale per generare linee luminescenti transgeniche, che richiede tempo e potrebbe rivelare che soltanto una particolare mutante presenta ritmi wild-type. Un chiaro vantaggio di questo protocollo è che ogni linea di Arabidopsis può essere proiettato in breve tempo per i ritmi circadiani alterati trascrizionali, che aiuterà l'identificazione di altri geni che influenzano cronometraggio nelle piante.
<p class= "Jove_content"> Isolamento di protoplasti può essere laboriosa, soprattutto se la linea mutante mostra un fenotipo nano. Metodi precedentemente segnalati per la generazione di protoplasti coinvolgono taglio foglie o piantine in strisce sottili e vuoto infiltranti le strisce con soluzione enzimatica per consentire gli enzimi di raggiungere le pareti delle cellule 26,27. La digestione successiva richiede almeno 3 ore di incubazione al buio per rilasciare i protoplasti nella soluzione enzimatica. Quando l'infiltrazione vuoto non viene applicata, si consiglia di incubazione di tempo fino a 18 ore. Nel protocollo qui presentato, infiltrazione vuoto è inutile perché lo strato di cellule epidermiche impenetrabili agli enzimi viene rimosso dal nastro. Durante la generazione di protoplasti tagliando materiale vegetale è necessario protoplasti separati da detriti parete cellulare dopo la digestione; Ciò avviene tipicamente filtrando la soluzione o purificare su un gradiente di 27,26 zucchero. Qui, qualsiasi tessuto non digerito rimane sul nastro autoclave dopola digestione, così filtrazione e zucchero gradiente purificazione dei protoplasti può essere omesso. C'è una possibilità che lo stress derivante da procedure protoplasting prolungati colpisce la vitalità cellulare e l'orologio circadiano. Il metodo protoplasting basato su nastro 20 visualizzati qui produce un elevato numero di protoplasti; e data la vitalità delle cellule nel corso di una serie temporale circadiano e le lunghezze d'epoca corrispondenza di protoplasti e le piante intere (Tabella 2), la metodologia qui descritta è preferito rispetto ai metodi alternativi per generare protoplasti.Il passo trasfezione del protocollo è un passaggio fondamentale che ha un impatto sulla vitalità delle protoplasti. La soluzione PEG consente il DNA da consegnare nella cella, e sia il tempo di incubazione in questa soluzione (passo 3.4) e la percentuale di PEG deve essere determinato empiricamente. La concentrazione standard è 20%, con concentrazioni inferiori riducendo l'efficienza di trasformazione e superioriLe concentrazioni che riducono la vitalità 28. Tempo di incubazione più breve di cinque minuti potrebbe produrre efficiente trasfezione dei protoplasti 27.
I protoplasti possono essere esposte su qualsiasi piattaforma di imaging luminescenti. In questo video, abbiamo utilizzato un lettore di piastre luminescenza dotato di luci esterne (rosso e LED blu, 630 e 470 nm, rispettivamente, ad una intensità combinata di ~ 20 μE), che consente lo screening high-throughput e le misure frequenti. Altre apparecchiature di imaging che rileva luminescenza, come ad esempio lettori di piastre alternativi o messe a punto, basata soprattutto un dispositivo (CCD) fotocamera ad accoppiamento di carica, potrebbe essere applicato ugualmente bene fino a quando l'illuminazione è disponibile per la fotosintesi. Il vantaggio di utilizzare una telecamera CCD montata su un mobile controllabile è che la luce e la temperatura può essere programmata. Uno svantaggio è il tempo di acquisizione più lungo, introducendo periodi prolungati di oscurità che possono causare stress per i protoplasti oltre a perturbareing cronometraggio endogena. Indipendentemente da quale piattaforma sperimentale viene scelto, la regolazione delle impostazioni è probabile che sia necessaria rispetto alle impostazioni di piantine o piante mature. Nella nostra esperienza, aumentando le concentrazioni di giornalista plasmide durante trasfezione e / o luciferina nel buffer di imaging potrebbe risolvere eventuali ritmi irregolari o bagnatura rapidamente che potrebbero verificarsi negli esperimenti iniziali.
In esperimenti futuri, la metodologia qui descritta può essere applicata per studiare il fenotipo circadiano di qualsiasi linea Arabidopsis mutante. Con piccole modifiche, ad esempio l'effetto di diversi farmaci sulla misurazione del tempo potrebbe essere studiato in questa configurazione. Inoltre, la trasfezione può essere modificato per includere microRNA artificiale per silenziamento genico 19, espandendo ulteriormente la versatilità di questo protocollo. Protocolli per generare protoplasti di riso sono ben stabiliti 29 ed il protocollo di imaging qui presentata potrebbe ugualmente essere applicate per migliorare la nostra understanding dell'orologio in economicamente importanti piante coltivate monocot.
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 |