This protocol details the optimized extraction of apoplast washing fluid from plant leaves, using French bean plants (Phaseolus vulgaris) as a model example.
アポプラストは、原形質膜の外側に位置し、細胞壁を含む植物組織中の異なる細胞外区画である。葉植物のアポプラスト区画は、細胞壁形成、細胞の栄養と水の取り込みとエクスポート、植物エンドファイト相互作用および病原体に対する防御応答を含むいくつかの重要な生物学的プロセス、のサイトです。浸潤遠心法がよく、様々な植物種の可溶性アポプラスト組成の分析のためのロバストな手法として確立されている。この方法によって得られた流体は、一般的にアポプラスト洗浄液(AWF)として知られている。以下のプロトコルは、 インゲンマメ (フランス語豆)CVからAWF抽出のための最適化された減圧浸潤および遠心分離方法を説明している。 Tendergreen葉。この方法および他の植物種のためのプロトコルの最適化の限界が議論される。 AWF下流experimenの広い範囲で使用することができる回収アポプラストの組成物を特徴づけるために求め、それが植物種及び遺伝子型、植物の開発および環境条件に応じてどのように変化するか、または微生物がアポプラスト液中で成長する方法を決定し、その組成の変化に対応するためのts。
植物アポプラストは、植物細胞を囲む間の空間である。これは、多くの代謝および輸送プロセスが行われる動的な環境である。アポプラストの主要な構造成分を組み立て、アポプラスト内に位置する酵素、構造タンパク質および代謝物によって修飾された細胞壁である。健康な植物細胞にアポプラストは、一般的にアミノ酸、糖および他の栄養素がH +共輸送1によって細胞質にアポプラストからインポートされることを可能にする酸性の状態に維持される。ショ糖輸送中に、光合成のソースからのスクロース移動アポプラストを通って、師部血管系へ。ショ糖は、その後、シンク器官2ショ糖を切断アポプラストインベルターゼによって維持浸透ポテンシャルによって輸送される。糖および他の栄養素も上向きに輸送され、蒸散流3を通して、気孔の空洞内に蓄積することができます。
">アポプラストはまた、多くの病原体が彼らの寄生のライフスタイルを確立し、環境ニッチを表します。細菌性植物病原体は彼らがそのような気孔として、あるいは傷4を通して自然の開口部を介してアクセスするアポプラストの高い密度に増殖する能力を持っている。アミノの濃度細菌および真菌病原体5,6の栄養要求をサポートするのに十分であることが示されているアポプラストトマトおよび他の窒素化合物を含む。一次防御応答微生物病原体に向かっても、細胞外ペルオキシダーゼによって、アポプラスト中の反応性酸素種、すなわち生を生じる。及びオキシダーゼと架橋およびカロース沈着7を介して細胞壁の強化植物細胞壁は、抗菌活性を有する二次代謝産物が豊富であり、これらの二次代謝産物の生化学的性質は、種8の間で変化する。上記に言及した結果編および他のプロセスは、葉アポプラスト液はタンパク質、糖、有機酸、アミノ酸、二次代謝物、金属および他のカチオン( 例えば Mg 2+、K +のNa +、Ca 2+の、Feの2/3の様々な含まれ+)。シュートのアポプラストの溶質濃度はアポプラストと木部、師部および細胞質9との間に発生する輸送プロセスのバランスによって大幅に制御されている。しかし、代謝反応と微生物の成長も消費したりアポプラストの溶質を生産する。アポプラストの組成物は、植物種および遺伝子型の間の光、栄養および生物的および非生物的ストレス9を含む環境条件の変化に応じて異なることが知られている。アポプラスト物の組成を研究することによって、それがそのような酸化還元と浸透ポテンシャル、pHは、栄養/代謝物の可用性と酵素活性のような特性を含め、どのように変化するか、1は、植物が再どのように小説洞察を得ることができますその環境それに相当。その代謝産物および/またはイオンが、揮発性の一時的または細胞壁および原形質膜と結合することのできる空間的に構造化された動的な区画であるため、理解またはアポプラスト液中に発生する分子の変化を特徴づけるは複雑である。さらに、異なる分析技術は、異なる化学種の範囲をカバーするために必要とされる。
可溶性アポプラストの組成を研究するために、流体は、通常、組織から抽出される必要がある。いくつかの方法が新たに提案されたフィルタストリップ法10を含む様々な組織からのアポプラスト液を抽出するために存在するが、葉のための最も確立された抽出方法は、浸透、遠心分離である。この手法は、以前は11-13とLohaus ら評価されている。2001年14方法の技術的なパラメータの多くの精密検査を提供する。名前、浸潤-centrifuによって示唆されるようにゲーション技術は、本質的に、葉の穏やかな遠心分離によって浸潤/アポプラスト流体混合物の回収が続くネイティブアポプラスト液と混合し、水性浸透流体とアポプラスト空隙の置換を含む二段階法である。回収された流体が希釈され、アポプラスト中に存在する全ての化合物(下記参照)が含まれないように、この流体は、一般的にアポプラスト洗浄液(AWF)、または時々間洗浄流体ではなく、アポプラスト液として知られている。浸潤遠心法十分な容積の単一またはプールAWFサンプルが生成され、下流の生化学的分析技術( 例えば、タンパク質電気泳動、酵素活性測定、NMR、クロマトグラフィーおよび質量の多くのタイプの広い範囲に供することができるように容易に拡張可能である分析)。リーフAWFはまた、植物コロニー微生物のウィットとの相互作用を研究するための成長培地を模倣アポプラストとして有用であるHその環境5。
次のプロトコルでは、 インゲンマメを使用して浸潤·遠心分離技術を実行する方法について説明CV 尋常 。 Tendergreen葉、およびメタボロミクスを中心とした下流の分析のいくつかの例を提供する。重要なことには、AWFの品質を評価するための方法は、異なる葉タイプの手順を最適化するために助言に沿って設けられている。
植物組織源の最適化
アポプラスト抽出を行う際に生物学的および技術的な変動が大きくなる可能性があり、したがって、高度に標準化されたワークフローは、( 図1)の実験全体で連続性を高めるために有用である。重要なことには、植物組織の供給源は、リーフ型、葉の年齢、成長/環境条件および時刻( 表1)を含めた、標準化されなければならない。大きな違いは、異なる葉が浸透しているとAWF、その後遠心分離によって回収しやすさに存在する。これらの違いは、気孔の数、開口の大きさ及び肉抵抗12,14と相関している。偶数P.の異なる品種間AWF抽出手順の容易性、歩留まりに大きな違いがある尋常 。ここで使用Tendergreen品種の例葉カナダのワンダー品種よりも、この方法を用いてAWF抽出に対してより適している。中にP.は、最初の真の葉がそれらアポプラストの抽出のための当然の選択作り、侵入する最大かつ最も簡単に尋常 。アポプラスト空気と水の体積は、AWFの抽出性12,14の違いにつながるいくつかの種で、葉齢とともに変化することが示されている。 Pに尋常 、古い葉は、遠心分離の際に少ないAWFに浸潤し得、実質的にはより困難になる。それらは完全な展開に達したときに、したがって、葉を採取した。続いて浸潤AWFを回復するために、より高い遠心分離スピードを必要とすることが困難な葉。一つはので慎重に大規模なAWF抽出のための組織源に応じ決定する前に、いくつかの異なる葉の種類や品種を選別する必要があります。
植物成長条件は、実験の文脈内で可能な限り標準化されなければならない。それらが許す限り、成長のキャビネットを使用することが好ましい一貫した湿度、温度、およびガーゼトン強度連隊が維持される。 などの代謝物、酵素の濃度は概日周期14を通して変化するため、葉の収穫は常に日の同じ時刻に発生する必要があります。最後に、植物は全て同様の膨圧を持つ離れることを保証するために、植物は収穫(〜1時間)の前にすぐに給水されるべきである。
葉の浸潤および遠心分離の最適化
細胞が遭遇する機械的ストレスが浸潤や遠心分離ステップの間に高すぎる場合に起因する部分的な細胞溶解にAWFの望ましくない細胞質の汚染が発生します。したがって、与えられたリーフタイプの手順は、歩留まりを最大化し、AWFの細胞質汚染を最小限に抑えることとの間に最適化されたトレードオフにする必要があります。全ての場合において、人はAWF葉細胞の機械的な破壊を回避するために回収することができる最低遠心分離速度を使用する必要があります。 centrifuの最適化ゲーション速度は体積を回収し、遠心分離速度の範囲にわたってアポプラスト汚染を監視することにより、各リーフタイプについて経験的に決定されるべきである。これは、閾値遠心力が超えられるまでそのようなMDH、G6PDHおよびグルコースリン酸イソメラーゼなどのマーカーの酵素活性は、これらの活動は、おそらく、細胞質漏れ9,12,14に、急速に増加させるの上、低いままであることが観察されている。 Baker ら。2012 11によって示されるように、遠心分離工程の間に支持するためのパラフィルムの使用は、AWF抽出の有効性を向上させることができ、過度の折り畳み及び圧縮による葉身に機械的損傷を最小限に抑えることができる。一つはAWF抽出の損傷や完全性について葉を調べる必要がある場合さらに、パラフィルムの使用は、遠心分離後に、葉の可視化を向上させます。
野内12は、Dである、カットイネ葉切片からAWFの回復の最適化を説明ifficultが浸透し、それらの小さな気孔の開口部のAWFを収集するために、より高い遠心速度を必要とする。イネの葉の表面の濡れ、いずれかの蒸留水中で葉または浸透液に界面活性剤を添加し予備浸漬することにより改善、浸透プロセスを容易にした。アポプラスト汚染12を監視しながら、より高い遠心分離スピード(6000×gで)も使用した。切断された葉の切片を使用する場合、細胞質汚染があっても、創傷部位の徹底的な洗浄でより優勢になるというリスクが常に存在する。カットの葉は、したがって、必要な場合にのみ使用してください。
多くの研究のために蒸留水を浸透流体11として使用される。しかしながら、化合物は、ある種のアポプラスト化合物、特にタンパク質13の抽出を改善するために、このような塩または緩衝剤として、浸透流体に添加することができる。 Lohaus 14は、イオン性および浸透力oの効果を評価する回収AWFの組成がn、それらを無視できることがわかった。浸潤培地のpHの変化は、しかしながら、AWF組成物14に影響を与え得る。
抽出されたアポプラスト流体の適切な取り扱いと保管は重要です。 AWFは、プロテアーゼおよび他の酵素13,20と同様に、揮発性有機化合物を豊富に含むことが示されている。したがって、それは氷の上で、またはそうでなければ、-80℃で保存したサンプルを維持することが推奨されているリカバリ後AWFの組成の変化を低減することができる。また、AWFの酵素アッセイは、タンパク質分解による酵素の不活性化、長期の希釈を制限または凍結融解をするために、抽出後できるだけ早く実施すべきである。
浸透処理はアポプラスト液を希釈し、この希釈の程度を決定することがしばしば必要である。遠心分離工程はまた、細胞内区画からの水でAWFを希釈することができる。希釈倍率は、必要とされている測定はAWFに行われたとき編、 インビボアポプラスト化学濃度を推定する。このようにして可能な限り正確にインビボで代謝物濃度に一致-希釈係数はまた、それが微生物のための成長培地を模倣アポプラストとして使用されている場合、完全な強さに戻すAWFを濃縮するために必要とされる。いくつかのバリエーションが、浸透流体に添加マーカー化合物の希釈を測定することにより、AWF希釈係数を決定するためのステップ4に記載の方法に存在する。すべてのメソッドのためにAWF希釈計算が浸透流体がかなりAWF復旧処理中に葉の細胞によって吸収されるか、または希釈されていないことを前提としています。この仮定は、以前に浸透ステップ14のために確認されているが、遠心分離工程のために未検証されている。マーカー化合物は、また、吸収された輸送またはアポプラストにいる間変更してはなりません。インジゴカルミンは、最も広く使用され、完全に使用される染料を試験するAWF希釈の計算のために。インジゴカルミンは、陽イオン交換樹脂と、単離された細胞壁に低い吸光度を表示し、 セイヨウアブラナにおけるAWF計算、エンドウマメ、トマトおよびダイズ 11,21,22に適していることが示された。しかし、いくつかの葉の種類、 例えば、米やキュウリに、インジゴカルミンは、完全にAWF希釈係数12,21の過小評価につながる浸潤、後に回収することはできませ現れた。インジゴカルミンの回復の欠如は、特にストレス下で24、アポプラストに産生されることが知られているスーパーオキシド23によってイサチンスルホン酸に開裂することにより、その感受性にすることができる。イサチンスルホン酸へのインジゴカルミンの切断は、610 nmでの吸光度の損失および245 nmでの増加になります。この反応はアポプラストにかなりの程度で起こるかどうか、またはこの反応がinfiltratするスーパーオキシドスカベンジャーの添加によって阻害され得るかどうかイオン液体は、これまでに検討されていない。ブルーデキストランはイネにおけるAWF希釈係数の定量化のために代わりにインジゴカルミンの使用されてきたAWF中での安定性と回復が報告されていないものの、12を残します。あるいは、[14 C]ソルビトール又は他の定量化内部標準としての放射性標識化合物は、代わりに、染料を用いることができ、放射能濃度の減少を測定し、同様の方法11,14,25で希釈係数を計算するために使用される。
技術の限界
いくつかの注意点は、浸潤、遠心分離AWF分離法のために存在する。まず、浸透中アポプラストの希釈は、植物からの応答を誘発し得る。周囲の葉細胞はアポプラスト液の特定の成分の減少濃度を検出する場合、それらは、代謝物濃度の解釈を歪め、さらに代謝物を排出することによって応答することができる。でこの問題の評価は、それが浸潤し、遠心分離や浸透液のイオン強度の緩やかな差の時間のいずれも抽出AWF 14,22の組成に影響を与えることが観察された。したがって、アポプラスト希釈に起因するいかなるアーティファクトは最小限であると考えられている。
第二の潜在的な欠点は、遠心分離によるAWFの溶出はいくつかの理由のためにアポプラスト中に存在する全ての分子を捕捉しないことである。特定の陽イオンおよびタンパク質中のいくつかの化合物は、しっかりと負に帯電した細胞壁に関連し、AWF 13で溶出しないことができる。タンパク質のような他の分子は、14を使用する遠心分離スピードでアポプラストから効率的に溶出するには大きすぎるかもしれない。活性酸素種は、それらの広報アポプラストに生成された化合物の重要なクラスであるが、により、これらの化合物の短命の性質、及びそれらの製造不特定の要件esenceはよくAWF抽出によって捕獲されていません。それはAWFはアポプラスト液のインビボ合成を表し、これは種間でどのように変化するかを正確に知られていない。
何も普遍的に受け入れていないものの、いくつかのアッセイは、細胞質の汚染を測定するために存在する。主に細胞質酵素のアッセイ( 例えば、G6PDH、ヘキソースのリン酸イソメラーゼ、MDH)が実行しやすいという利点があるが、細胞質の漏れ14,18とよく相関しない場合があります。細胞質の代謝物( 例えば、六炭糖リン酸塩、クロロフィル)の評価は、おそらくもっと指標であるが、あまりウェル11を確立されている。それにもかかわらず、アッセイのいずれかのタイプは、サンプル間のアポプラスト汚染の相対的定量化のために有用であり得る。理想的には、複数の独立した測定値は、AWFサンプルの完全性を検証するために使用されるべきである。
その限界を認めているが、浸潤、centrifugatiここに記載されている技術にアポプラストタンパク質、一次および二次代謝産物及び無機イオンの研究では、シンプルで堅牢な技術のまま。
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 |