放射性トレーサーで植物にミネラル栄養素や毒性物質のフラックスを測定する

要約

In planta measurement of nutrient and toxicant fluxes is essential to the study of plant nutrition and toxicity. Here, we cover radiotracer protocols for influx and efflux determination in intact plant roots, using potassium (K⁺) and ammonia/ammonium (NH₃/NH₄⁺) fluxes as examples. Advantages and limitations of such techniques are discussed.

要約

Unidirectional influx and efflux of nutrients and toxicants, and their resultant net fluxes, are central to the nutrition and toxicology of plants. Radioisotope tracing is a major technique used to measure such fluxes, both within plants, and between plants and their environments. Flux data obtained with radiotracer protocols can help elucidate the capacity, mechanism, regulation, and energetics of transport systems for specific mineral nutrients or toxicants, and can provide insight into compartmentation and turnover rates of subcellular mineral and metabolite pools. Here, we describe two major radioisotope protocols used in plant biology: direct influx (DI) and compartmental analysis by tracer efflux (CATE). We focus on flux measurement of potassium (K⁺) as a nutrient, and ammonia/ammonium (NH₃/NH₄⁺) as a toxicant, in intact seedlings of the model species barley (Hordeum vulgare L.). These protocols can be readily adapted to other experimental systems (e.g., different species, excised plant material, and other nutrients/toxicants). Advantages and limitations of these protocols are discussed.

概要

栄養素や毒物の取り込みと分布が強く、植物の成長に影響を与える。したがって、基本的な輸送プロセスの研究は、特に栄養の最適化と環境ストレス（ 例えば 、塩ストレス、アンモニウム毒性）の文脈で、植物生物学や農学^1,2の研究の主要な領域を構成している。植物中のフラックスを測定するための方法の中で最高経営責任者は、1950年代に大幅に開発された放射性同位体トレーサーを使用することである（ 例えば ^、3を参照）、今日広く使用され続けています。そのような根培地および/または組織への蓄積から栄養枯渇の測定などMIFE（微小電極イオン磁束推定）とSIET（イオン選択性電極法をスキャン）のようなイオン選択性振動マイクロ電極の使用、の使用などの他の方法は、イオン選択性蛍光色素は、広く適用されるが、正味のインフルエンザを検出する能力が制限されているXES（ すなわち 、流入と流出の差）。放射性同位体の使用は、一方で、研究者は動力学的パラメーターを解決するために使用することができる一方向性フラックスを分離し、定量化するユニークな能力を可能にする（ 例えば 、K _MおよびV _max）は 、容量への洞察を提供し、エネルギー論、交通システムのメカニズム、および規制、。放射性トレーサーで作られた単方向フラックス測定は反対方向に磁束が高く、細胞内プールの代謝回転が急速⁴である条件の下で特に有用である。トレースされた同位体は、同じ要素の別の同位体を背景に観察されているため、また、放射性トレーサーの方法は、（以下に、「ディスカッション」を参照）の測定は、多くの他の技術とは異なり、かなり高い基質濃度下で行うことを可能にする。

ここでは、単方向であり、nの放射性同位体を測定するための詳細な手順を提供完全な植物ミネラル栄養素や毒物のらフラックス。重点が存在する場合、高濃度（ 例えば 、1〜において、カリウム（K ^+）のフラックス測定に有毒植物主要栄養素^5、アンモニア/アンモニア（NH ₃ / NH ₄ ^+）、しかし、別の主要栄養素を説明する10ミリモル^）2。私たちは、モデル系の大麦（ オオムギ L の無傷の苗に、それぞれ、NH ₄ ^+（T _1/2 = 9.98分）の放射性同位元素⁴² K ^+（T _1/2 = 12.36時間）と¹³ NH _3月 ^13日を使用します。）、2主要プロトコルの説明において：トレーサー流出（CATE）による直接流入（DI）とコンパートメント解析。私たちは、この記事は、単純に各プロトコルを実行するために必要な手順を説明し、最初から注意してください。計算と理論の適切な、簡潔な説明が提供される場合、各技術の詳細な博覧会の背景と理論は対象^4,6-9上のいくつかの重要な論文に記載されています。重要なことは、これらのプロトコルは他の栄養素/毒物の分析をフラックスに広く譲渡する（ 例えば ^、24のNa ^+、22 Na ⁺の^、86のRb ^+、13 NO ₃ ^{- ）}および他の植物種に、いくつかの注意事項ではあるが（下記参照） 。また、放射性物質を扱うすべての研究者が機関の電離放射線安全·レギュレータを介して配置されたライセンスの下で働かなければならない重要性を強調。

プロトコル

1工場の文化と準備

1. （詳細は^、10を参照）、気候制御された成長チャンバー内で7日間の大麦苗の水耕を育てる。
   注：それは栄養の要件は年齢とともに変化するように、発達段階の多様で植物を調べて検討することが重要です。
2. 実験前のある日、一つの複製（DI用のバンドルにつき3工場、CATE用のバンドルにつき6工場）を作るために一緒にいくつかの苗をバンドル。シュートの基部の周りにタイゴンチューブの2cmのピースをラップし、「カラー」を作成するテープでチューブを固定することによって苗をバンドルします。
   注：バンドルあたりの植物の数は、実験条件の^10,13,14に基づいて異なる場合があります。バンドリングは、根量および/または比活性が低い場合は特に、統計、測定精度を向上させるために行われる。

実験的ソリューション/材料の作製

コンテンツ ">注：以下は、一般的に実験前に1日に実行されます。

1. DIは、次の収集：プレ標識、標識、及び脱着溶液（詳細については^、11を参照^のこと）、（植物試料の脱水のための）遠心分離管、及び植物材料および特異的活性のためのサンプルバイアル（[S o _を ;下記参照]）。曝気し、すべての溶液を混合。
2. CATEは、以下収集し、溶出液を、植物試料について（よく混合、曝気ラベリングおよび溶出ソリューション（詳細については^、10を参照）（植物試料の脱水のために）、排出漏斗、遠心分離管、及びサンプルバイアルとS _oと希釈係数の決定[D _fは 、下記参照]）。

3放射性トレーサーを準備

注意：以下の安全のステップが放射能で作業する前に注意する必要があります。

1. radioacの要件を確認してください電性材料のライセンスが理解され、続いている。適切な安全装置（ すなわち 、ゴーグル、手袋、白衣、鉛ベスト/襟）と線量計（ 例えば 、TLDリングとバッジ）を着用してください。シールドを設定し（ すなわち 、プレキシグラス、鉛レンガ）と、その背後にある放射性作業を行う。ガイガーミュラー計数が日常的汚染を監視するために存在していることを確認してください。
2. ⁴² K ⁺の調製
   1. バランスに清潔で乾燥したビーカーを置きます。バランスをゼロ。
   2. パッケージからトレーサーのバイアル（粉末状の⁴² _の K ₂ CO ₃の20 mCiの）を外し、ビーカーにトレーサーを注ぐ。塊をメモしておいてください。
   3. ビーカーにH ₂ SO ₄の0.07ミリリットルに続くのdH ₂ Oをピペットは19.93ミリリットル、、。これは、次の化学反応を駆動する。
      ⁴² K ₂ CO ₃ （複数の）+ H ₂ SO _4（リットル）+ H ₂ O（l）の^42→ 2>アップSO ₄ （リットル）+ CO _2（v）の+ 2H ₂ O（l）の
   4. 放射原液の濃度を計算し、質量およびK ₂ CO ₃の分子量および体積（20ml）に与えられた。
      ^NOTE：13 NH ^_3/13と作業NH ₄ ⁺トレーサー水の酸素原子の陽子衝撃を介して、サイクロトロンで生成される場合（典型的には100〜200 mCiの活性が得られる;製造の詳細については^、12を参照^のこと）。 ¹⁴ NH ^14分の ₃ NH ₄ ⁺の量は、これらの溶液中の非常に低いため、原液のN濃度は無視できる。

4。直接流入（DI）の測定

1. ⁴² K ⁺のため、ピペット標識溶液にK ⁺の所望の最終濃度に達するのに必要な放射性ストック溶液の量。
   1. NH ^{_3/13 13}のためにNH ₄ ^+、ピペット標識溶液に少量（<0.5）を加えた。標識溶液は、（エアレーションを介して）完全に混合できるようにします。
2. サンプルバイアルに1ミリリットルの標識溶液のサブサンプルをピペットで3回（計4サンプル）を繰り返します。
   1. ガンマカウンターを使用して、（「分あたりのカウント」、CPMでの）バイアル中の放射能を測定します。 （これは、そのような短命なトレーサーは特に重要です）カウンタがcpmの測定値は、同位体の崩壊について補正されるようにプログラムされていることを確認してください。
   2. 四つのサンプルのカウント（CPMを加え^-1）を平均し、（マイクロモル溶液^-1）溶液中の基質の濃度で割ることにより（CPMのマイクロモル^-1として表される）、S o _を計算します。
3. 参照（試験条件下で植物を事前に平衡化し、5分間プレ標識（非放射性）溶液中に根を浸す例えば 、前のラベル時間のばらつきのため^{10,13,14）。}
4. 5分間の標識（放射性）溶液中に根を浸し。
   注：ラベリング時間は実験^3,4,7-10に基づいて変更することができる。
5. 表面付着放射能の大部分を除去するために5秒間脱離液に根を転送します。外トレーサーの更なる明確なルーツに5分間脱離液の第二のビーカーに根を移す。
6. シュート、基底シュート、および根を解剖し、独立した。
7. 表面と間隙水を除去するために、低速、臨床グレードの遠心分離機（〜5000×g）で30秒間遠心管とスピンサンプル中の根を置きます。
8. 根（生重量、FW）を秤量する。
9. 植物試料中の放射能カウント（シュート、基底シュート、および根を、ステップ4.2.1を参照のこと）。
10. フラックスを計算します。の式を用いて植物に流入を計算
    Φ= Q * / S _O重量_L
    Φはフラックスです（マイクロモルgの^-1時間^-1）、Q *は、組織（通常はrootでのcpmで、シュート、および基底シュート、組み合わせ）に蓄積されたトレーサの量である、S _oは標識溶液（CPMのマイクロモルの比活性である^{- 1）、w} は根の新鮮重量（g）であり、t _Lは、標識化時間（hr）である。
    注：より高度な計算がCATEから得られたパラメータに基づいて、ラベル付け、脱着時の根からの同時トレーサー流出を考慮して行うことができる（;詳細については^、4を参照して以下を参照）。

トレーサー流出（CATE）測定による5。コンパートメント解析

1. （ -上記、4.2の手順4.1を参照）標識溶液を準備し、S o _を測定する。
2. 希釈倍率（D _fで ）を測定します。
   注：多くの場合、ガンマカウンターで検出器に対する試料の位置量に影響を与えることができる放射線を測定。詳細については、説明を参照してください。
   1. S o _を測定した後、各試料にH ₂ Oの19ミリリットルを追加（ように最終容量=溶出液量= 20ミリリットル）。各20mlの試料中の放射能をカウントする（ステップ4.2.1を参照）。
   2. 20ミリリットルの試料の平均CPMによって1mlのサンプルの平均cpmで割ることによってD _Fを計算します。
3. 1時間標識溶液中で根を浸し。
4. すべてのルート材料が漏斗内にある保証し、流出漏斗に標識溶液と転送植物から植物を取り出します。プラスチックカラーの上にテープの小片を適用することにより、排出漏斗の側に静かに安全な植物。
5. 静かに漏斗に最初の溶出​​液を注ぐ。 （カウントアップ）タイマを起動します。
6. スピゴットを開き、15秒後にサンプルバイアル内の溶出液を収集する（注：溶出時間が異なります。下記参照）。スピゴットを閉じます。静かに漏斗に次の溶出液を注ぐ。
7. Repea最初から最後の溶出液に、以下の溶出シリーズの残りのtステップ5.6：15秒（4回）、20秒（3回）、30秒（2回）、40秒（1回）、50秒（1回）、1分（25回）、29.5分の総溶出期間
   注：脱着シリーズは実験条件^7-10,13,14に基づいて変化することができる。
8. 溶出プロトコルが完了すると、収穫植物は、（ - 上記4.8、4.6ステップ）。
9. （5.2参照、D _fで各溶出物の読み取りを乗じ）ガンマカウンターで溶出液および植物試料中の放射能をカウントします。
10. 溶出時間の関数としてプロットトレーサーリリース（CPM gを（ルート^FW）-1分^-1）。定常状態では、（詳細は^6-9を参照）フラックス、交換の半減期は、プールサイズの線形回帰や計算を実行します。

結果

図1は 、高で成長した無傷の大麦の苗の根に、NH ₃の流入のために^（13をN）DI技術を使用して見つかった等温線を示している（10 mM）を、NH ₄ ^+、およびいずれか（0.02 mM）の低または高（5 mMの）K ^+。 （;溶液のpH ¹³の変化によって調整する[NH _{3] EXT）NH 3}のフラックスは、外部のNH ₃濃度の関数としてプロットされた場合?...

ディスカッション

上記の例で示したように、放射性トレーサー法が植物体に栄養素や毒性物質の単方向のフラックスを測定する強力な手段である。 図1は 、NH ₃流入は225マイクロモルgの^-1時間^-1、おそらくあるの過剰に達することができることを示していますこれまでプラントシステム¹³に報告された最高善意の膜貫通フラックスが、唯一のネットフラ?...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Gamma counter	Perkin Elmer		Model: Wallac 1480 Wizard 3"
Geiger-Müller counter	Ludlum Measurements Inc.		Model 3 survey meter
400 ml glass beakers	VWR	89000-206	For pre-absorption, absorption, and desorption solutions
Glass funnel	VWR	89000-466	For efflux funnel
Large tubing	VWR	529297	For efflux funnel
Medium tubing	VWR	684783	For bundling
Small tubing	VWR	63013-541	For aeration
Aeration manifold	Penn Plax Air Tech	vat 5.5	To control/distribute pressurized air into solutions
Glass scintillation vials	VWR	66022-128	For gamma counting
Glass centrifuge tubes	VWR	47729-576	For spin-drying root samples
Kimwipes	VWR	470173-504	For spin-drying root samples
Dissecting scissors	VWR	470001-828
Forceps	VWR	470005-496
Low-speed clinical centrifuge	International Equipment Co.	76466M-4	For spin-drying root samples
1 ml pipette	Gilson	F144493
10 ml pipette	Gilson	F144494
1 ml pipette tips	VWR	89079-470
10 ml pipette tips	VWR	89087-532
Analytical balance	Mettler toledo	PB403-S/FACT