Эффективный клиринговый протокол для изучения развития семян в томатах (Solanum lycopersicum L.)

Томат (S. lycopersicum L.) является одной из важнейших овощных культур во всем мире, с объемом производства 186,8 млн. тонн мясистых фруктов с 5,1 млн. га в 2020 году¹. Он принадлежит к большому семейству пасленовых, насчитывающему около 2 716 видов², включая многие коммерчески важные культуры, такие как баклажаны, перец, картофель и табак. Культивируемый помидор является диплоидным видом (2n = 2x = 24) с размером генома около 900 Mb³. В течение долгого времени были приложены большие усилия для одомашнивания и селекции томатов путем отбора желаемых признаков из дикого Solanum spp. В Центре генетических ресурсов томатов зарегистрировано более 5000 томатов, и во всем мире хранится более 80 000 зародышевой плазмы помидоров⁴. Растение томат является многолетним в теплице и размножается семенами. Зрелое семя томата состоит из трех основных отсеков: полноценного эмбриона, остаточного эндосперма клеточного типа и твердой семенной оболочки ^5,6 (рисунок 1А). После двойного оплодотворения развитию эндосперма клеточного типа предшествует развитие зигот. Через ~5-6 дней после цветения (DAF) впервые наблюдается двухклеточное проэмбрио, когда эндосперм состоит из шести-восьми ядер⁷. В Solanum pimpinellifolium эмбрион приближается к своему окончательному размеру после 20 DAF, а семена жизнеспособны для прорастания после 32 DAF⁸. По мере развития эмбриона эндосперм постепенно всасывается и в семени остается лишь небольшое количество эндосперма. Остаточный эндосперм состоит из микропирлярного эндосперма, окружающего кончик радика, и бокового эндосперма в остальной части семени ^9,10. Наружная семенная оболочка развивается из утолщенного и одревесного наружного эпидермиса покрова, а с отмершими слоями остатков покрова они образуют твердую оболочку для защиты эмбриона и эндосперма⁵.

Рисунок 1: Схематическое изображение зрелого семени у Solanum lycopersicum и Arabidopsis thaliana. (A) Продольная анатомия зрелого семени томата. (B) Продольная анатомия зрелого семени Arabidopsis . Зрелое семя помидора примерно в 70 раз больше по размеру, чем семя арабидопсиса . Шкала = (A) 400 мкм, (B) 100 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Производство высококачественных семян томатов зависит от координации между компонентами эмбриона, эндосперма и материнского семенного компонента¹¹. Препарирование ключевых генов и сетей в развитии семян требует глубокой и полной фенотипической регистрации мутантных семян. Традиционные методы встраивания-сечения, такие как полутонкое сечение и парафиновое сечение, широко применяются к семенам томатов для наблюдения за местными и более тонкими структурами эмбриона ^12,13,14,15. Однако анализ развития семян из тонких участков обычно трудоемкий и не имеет пространственного разрешения по оси Z. Для сравнения, очистка тканей является быстрым и эффективным методом для точного определения стадии развития дефектов эмбриона, которые, скорее всего, произойдут¹⁶. Способ очистки уменьшает непрозрачность внутренней ткани путем гомогенизации показателя преломления одним или несколькими биохимическими агентами¹⁶. Очистка всей ткани позволяет наблюдать структуру растительной ткани, не разрушая ее целостность, а сочетание технологии очистки и трехмерной визуализации стало идеальным решением для получения информации о морфологии и состоянии развития растительного органа^17,18. На протяжении многих лет методы очистки семян использовались у различных видов растений, включая Arabidopsis thaliana, Hordeum vulgare и Beta vulgaris 19,20,21,22,23. Среди них технология очистки яйцеклеток с цельной горой была эффективным подходом к изучению развития семян Arabidopsis, благодаря его небольшому размеру, 4-5 слоям клетки семенной оболочки и эндосперму ядерного типа^24,25. При постоянном обновлении различных очищающих смесей, таких как появление раствора^{Хойера 26}, внутренние структуры яйцеклетки ячменя были изображены с высокой степенью прозрачности, хотя ее эндосперм составляет основную часть семян. Эмбриогенез сахарной свеклы можно наблюдать путем очистки в сочетании с вакуумной обработкой и размягчения соляной кислотой¹⁹. Тем не менее, в отличие от видов, упомянутых выше, об эмбриологических наблюдениях путем очистки протоколов в семенах томатов не сообщалось. Это препятствует детальному исследованию эмбрионального и семенного развития томатов.

Хлоралгидрат обычно используется в качестве очищающего раствора, который позволяет погружаться тканям и клеткам отображаться на различных оптических плоскостях и по существу сохраняет клетки или тканевые компоненты 27,28,29. Протокол очистки на основе хлоралгидрата был успешно использован для очистки семян по всей установке для наблюдения за зародышем и эндоспермом Arabidopsis ^21,28. Однако этот очистительный раствор не эффективен при очистке семян томатов, которые более непроницаемы, чем семена арабидопсиса. Физические барьеры включают: (1) кожный покров томата имеет почти 20 клеточных слоев при 3-15 DAF^30,31, (2) эндосперм томата клеточного типа, а не ядерного типа³², и (3) семена томатов примерно в 70 раз больше по^{размеру 33,34} и (4) производят большое количество слизи семенной оболочки, что блокирует проникновение очищающих реагентов и влияет на визуализацию эмбриональных клеток.

Таким образом, в настоящем отчете представлен оптимизированный метод очистки на основе хлоралгидрата для полной очистки семян томатов на разных стадиях, который позволяет глубоко визуализировать процесс развития эмбриона (рисунок 2).