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Dieser Bericht beschreibt die grundlegenden Methoden, die zur Kultivierung und experimentellen Manipulation der einzelligen Streptophyten-Alge, Penium margaritaceum, verwendet werden. Es bietet auch grundlegende Protokolle für die mikroskopiebasierte Bildgebung, einschließlich der Lebendzellmarkierung mit monoklonalen Antikörpern und anderen Fluoreszenzsonden sowie der Rasterelektronenmikroskopie.
Die Zellwand ist die erste Komponente des Signalempfangs/der Signaltransduktion für eine Pflanzenzelle während der Entwicklung und bei der Reaktion auf abiotische und biotische Stressoren aus der Umwelt. Die Zelle überwacht ständig die Integrität ihrer Zellwand und moduliert sie als Reaktion auf Stress. Die Aufklärung der spezifischen strukturellen und biochemischen Modulationen, die in der Zellwand ablaufen, ist eine schwierige Aufgabe, insbesondere wenn mehrzellige Pflanzen und ihre Organe/Gewebe eingesetzt werden. Dies ist auf die Grenzen dessen zurückzuführen, was in einer einzelnen Zelle, die Teil eines komplexen mehrzelligen Netzwerks ist, aufgelöst werden kann. Die einzellige Streptophyten-Alge, Penium margaritaceum, wurde in jüngster Zeit bei Untersuchungen der Pektindynamik, der auf Zellwänden basierenden phänotypischen Plastizität und mehrerer Aspekte der Algenzellbiologie eingesetzt. Sein einfacher Phänotyp, seine ausgeprägte Zellwand, die viele Komponenten aufweist, die den Zellwänden von Landpflanzen besonders ähnlich sind, und seine Leichtigkeit in immunzytochemischen und experimentellen Studien machen es zu einem leistungsstarken Modellorganismus in der Biologie der pflanzlichen Zellwand. Das Ziel dieser Studie ist es, die grundlegenden Techniken für die Kultivierung, experimentelle Manipulation und das Screening von angewandten Stressoren bereitzustellen. Screening-Protokolle für Immunzytochemie, konfokale Laser-Scanscanning-Mikroskopie-Bildgebung und Rasterelektronenmikroskopie-Bildgebung der Zellwandstruktur. Ebenso können viele der beschriebenen Techniken für eine Vielzahl anderer zellulärer und molekularer Studien modifiziert werden.
Die Zellwand einer Pflanze ist ein komplexes polymeres Netzwerk, das im Leben einer Pflanzenzelle mehrere Funktionen spielt1. Die Integrität der Zellwand wird von der Zelle während der Entwicklung und als Reaktion auf Umweltstress ständig überwacht und in Chemie und Struktur entsprechend moduliert. Penium margaritaceum ist eine einzellige Grünalge, die kürzlich in Studien an Streptophyten-Algen (Streptophyta, die Gruppe der Grünalgen, die am engstenmit den Landpflanzen verwandt und von ihnen angestammt) verwendet wurde.
In den letzten zwei Jahrzehnten war P. margaritaceum ein wichtiger Organismus bei der Erforschung der Zellwand- und extrazellulären Matrixdynamik, der Aktivitäten des Endomembransystems, der Manifestation der Zellform und der Pflanzenevolution 3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Forschern der pflanzlichen Zellwand die grundlegenden Methoden zur Kultivierung von P. margaritaceum, zur experimentellen Manipulation mit Mikroplatten-basierten Techniken und zur Überwachung der Struktur seiner Zellwand durch immunzytochemische Markierung lebender Zellen und Bildgebung mit Licht- und Elektronenmikroskopietechniken an die Hand zu geben. P. margaritaceum weist viele Ähnlichkeiten in der Zellwandbiochemie mit den primären Zellwänden von Landpflanzen auf. Wir haben mehrere Protokolle entwickelt, die sich den einzigartigen einzelligen Phänotyp dieser Alge zunutze machen und eine schnelle Möglichkeit zur Untersuchung der Zellwanddynamik bieten, die bei mehrzelligen Pflanzen oft schwer zu überwachen ist. Diese Techniken sind eine Hilfe für Pflanzen-Zellwandbiologen, die die detaillierte Zellwanddynamik aufklären wollen, insbesondere diejenigen, die sich mit Pektin befassen, und dienen als Ausgangspunkt für Studien, die sich mit der Zellbiologie von Pflanzen und Streptophyten befassen.
HINWEIS: Penium margaritaceum wird in der Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen - Culture Collection of Algae an der Universität Göttingen, SAG, bezogen; Stamm #2640.
1. Pflege von Kulturen
2. Markierung der Zellwand mit monoklonalen Antikörpern
HINWEIS: P. margaritaceum ist mit einer primären Zellwand bedeckt, die viele der gleichen Bestandteile enthält, die auch in den primären Zellwänden von Landpflanzen vorkommen11. Viele der monoklonalen Antikörper (mAbs), die gegen Epitope der Landpflanzenzellwand gezüchtet werden, erkennen Bestandteile der P . margaritaceum-Zellwand . Quellen für diese Antikörper sind das Complex Carbohydrate Research Center der University of Georgia (ccrc@uga.edu) oder Kerafast (kerafast.com). Nach der Zellwandmarkierung lebender Zellen mit primären mAbs, die spezifisch für Zellwandepitope und Fluorophor-konjugierte Sekundärantikörper (z. B. FITC, TITC) sind, können die Zellen wieder in Kultur gebracht werden, ohne die Gesundheit der Zelle oder die Zellwandablagerung zu beeinträchtigen. Die Fluoreszenzmarkierung der Zellwand bleibt auf unbestimmte Zeit bestehen, und die neu sekretierte Zellwand präsentiert sich als dunkle (d.h. unmarkierte) Zonen, die zur Bestimmung der Zellexpansionsraten gemessen und/oder erneut mit mAbs oder anderen Sonden markiert werden können.
3. Messung der Zellwand- und Zellexpansionsraten im Zeitverlauf
4. Zeitraffer-Bildgebung der Zellwandexpansion
5. Beobachtung der Produktion von extrazellulären Polymersubstanzen (EPS)
6. Zeitrafferaufnahme der EPS-Spurbildung
7. Korrelative Strukturanalyse der Zellwand mit Rasterelektronenmikroskopie (REM)
HINWEIS: Veränderte Merkmale der Zellwand, die in lebenden Zellen beobachtet werden, die mit zellspezifischen Antikörpern markiert wurden, können mit REM für detaillierte Merkmale abgebildet werden. Dieser korrelative Ansatz ermöglicht es, ultrastrukturelle Daten zu erhalten, die mit den Fluoreszenzdaten verglichen werden können.
Die Markierung der Zellwand von P. margaritaceum mit Anti-Pektin-mAbs (z. B. JIM5) zeigt ein Netzwerk von Calciumkomplexfasern und Projektionen, die ein regelmäßiges Muster oder Gitter bilden (Abbildung 1). Das Pektin lagert sich im Zellzentrum oder Isthmus ab, wo es älteres Pektin in Richtung der Pole verdrängt (Abbildung 2). Die Markierung mit einem anderen Pektin-Antikörper-ähnlichen JIM7 zeigt die anfängliche...
P. margaritaceum ist ein wirksamer Organismus zur Aufklärung der Dynamik der Zellwandentwicklung und der EZM-Sekretion in Pflanzen und Streptophytenalgen. Zu den Hauptattributen gehören eine einzellige Gewohnheit und eine einfache Wartung und experimentelle Manipulation der Kultur, eine primäre Zellwand mit einem ausgeprägten äußeren Pektingitter und anderen Polymeren, eine Leichtigkeit bei der Markierung von lebenden Zellen mit zellwandgerichteten mAbs, die rechtzeitig f?...
Es wird kein Interessenkonflikt gemeldet.
Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation (NSF) unterstützt (MCB-Fördernummer 2129443 DD).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.5 mL microcent. Tubes | Fisher Scientific | 01-549-740 | |
12 welled microplate | Fisher Scientific | 50-233-6077 | |
22 x 22 mm coverslips | Fisher Scientific | 12-541-016 | |
45x 50 cm coverslips | Brain Research | 4550-1.5D | |
Agar | Sigma Aldrich | A9414 | |
anti-rat FITC | Sigma Aldrich | F6258 | |
anti-rat TRITC | Sigma Aldrich | T4280 | |
calcium chloride | Sigma Aldrich | C4981 | |
Cambbridge stubs | EMS | 75183-65 | |
Fluoview CLSM | Evident | Fluoview 1200 | |
JIM5 | Kerafast | ELD004 | |
JIM7 | Kerafast | ELD005 | |
Microcentrifuge | Fisher Scientific | 13-100-675 | |
Micropipetors | BioRad | 1660499EDU | |
Penium margaritaceum | Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen - Culture Collection of Algae at Göttingen University | 2640 | |
Polysphere kit | Polysciences | 18336 | |
SEM | ThermoFisher | Quattro SEM | |
sputter coater | EMS | Q150V | |
Vortex mixer | Fisher Scientific | 02-215-414 |
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