側根誘導系で<em&gt;シロイヌナズナ</em&gt;とトウモロコシ

要約

The Lateral Root Inducible System (LRIS) allows for synchronous induction of lateral roots and is presented for Arabidopsis thaliana and maize.

要約

Lateral root development contributes significantly to the root system, and hence is crucial for plant growth. The study of lateral root initiation is however tedious, because it occurs only in a few cells inside the root and in an unpredictable manner. To circumvent this problem, a Lateral Root Inducible System (LRIS) has been developed. By treating seedlings consecutively with an auxin transport inhibitor and a synthetic auxin, highly controlled lateral root initiation occurs synchronously in the primary root, allowing abundant sampling of a desired developmental stage. The LRIS has first been developed for Arabidopsis thaliana, but can be applied to other plants as well. Accordingly, it has been adapted for use in maize (Zea mays). A detailed overview of the different steps of the LRIS in both plants is given. The combination of this system with comparative transcriptomics made it possible to identify functional homologs of Arabidopsis lateral root initiation genes in other species as illustrated here for the CYCLIN B1;1 (CYCB1;1) cell cycle gene in maize. Finally, the principles that need to be taken into account when an LRIS is developed for other plant species are discussed.

概要

それが土壌から、足場と水と栄養素の摂取を保証するため、根系は、植物の成長のために重要です。根系の拡大は主に側根の生産に依存しているため、その開始及び形成が広く研究されています。側根は、創業者^セル 1と呼ばれる、鞘細胞の特定のサブセットに開始されます。トウモロコシなどの単子葉植物に、それらは師部の極³に見られるのに対し、このようなシロイヌナズナなどのほとんどの双子葉植物では、これらの細胞は、原生木部の極²に配置されています。創始細胞は、特定の細胞周期遺伝子の発現に続いて増加オーキシン応答^4、でマークされている（例えば、 サイクリンB1; 1 / CYCB1; 1）、その後、彼らは非対称背斜部門^5の第1ラウンドを受けます。協調背斜と周縁部門の一連の後、側根の原基は、最終的にAと出てくるように形成されていますutonomous側根。これらのイベントが豊富でも同期でもないので、側根開始の位置とタイミングは、しかし、予測可能ではありません。これは、このプロセスを研究するためのトランスクリプトミクス、分子的アプローチの使用を妨げます。

これに対処するには、側根誘導系（LRISは^{）7,6を開発し}てきた。このシステムでは、苗を最初に結果的に側根の開始を阻止する、オーキシン輸送と蓄積を阻害するN -1-ナフチルフタラミン酸（NPA）で処理されています^8。その後、合成オーキシン1-ナフタレン酢酸（NAA）を含む培地に苗を転送することによって、全体の鞘層が、それによって大量の細胞分裂^{6を開始する}側根を誘導上昇オーキシンレベルに応答します。このように、このシステムは、後半の特定の段階について濃縮根サンプルの容易な収集を可能にする、高速同期と豊富側根のイニシエーションにつながりますRALルート開発。その後、これらのサンプルは、側根形成の間のゲノムワイドな発現プロファイルを決定するために用いることができます。 LRISは、側根のシロイヌナズナの開始とトウモロコシ^9-13について、すでにかなりの知識が得られましたが、より多くのゲノムが配列決定されており、経済的な重要に知識を伝達する関心の高まりがあるとして、他の植物種にこのシステムを適用する必要性がより明らかになり、種。

ここでは、 シロイヌナズナやトウモロコシLRISsの詳細なプロトコルが与えられています。次に、システムの使用例は、トウモロコシLRISから得られたトランスクリプトミクスデータが異なる植物種間側根開始時に保存された機能を持つ機能的ホモログを同定するために使用することができる方法を示すことによって、提供されます。最後に、他の植物種のためLRISを最適化するためのガイドラインが提案されています。

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プロトコル

1. シロイヌナズナ LRISプロトコル

注：テキストは、「小」または「大」規模の実験を指します。そのようなマーカーのライン分析および組織学的染色^6、14のような小さな規模の実験では、わずか数のサンプルを必要とします。そのような定量的リアルタイム定量RT-PCR、マイクロアレイ^9-11またはRNA配列決定のような大規模な実験は、サンプルのより大きな量を必要とします。このように、サンプル当たり〜1000年苗の量は、ルートセグメントの解剖後にマイクロアレイ実験を行うためにVanneste ら ¹¹で使用されていました。

1日目

1. シロイヌナズナの種子の殺菌
   注：種子消毒のための次の手順のいずれかを選択します。それらのいずれかのプロトコルの次のステップのために適しています。ガス滅菌（1.1.2）は、液体殺菌（1.1.1）上の2つの主な利点を提供する：大規模な麻痺を取り扱う際にはあまり時間がかかります種子のER、何のピペット操作は、個々のサンプルのために発生することがないので、滅菌種子は、より長い期間保存することができます。しかし、デシケーターと慎重な取り扱いが必要です。
   1. 液体滅菌
      1. マイクロ遠心管における種子の所望の数を注ぎます。 2ミリリットルのマイクロ遠心チューブに1.5mlチューブ中の20mg（〜800種子）または40mgの（〜1600種子）まで使用します。
      2. 70％エタノール1 mlを加え。反転または軽く2分間振ります。
      3. 15分間1mLの滅菌溶液で70％エタノールを交換してください。 （新鮮な滅菌溶液を調製する：3.85ミリリットルの次亜塩素酸ナトリウム（NaOC​​lを）株式（12％）（注意：使用ヒュームフード）、5μlのトゥイーン20を、水で10mlまでのすべての種子が来ることを確認するために、チューブを数回反転します。溶液と接触しました。
      4. 層流キャビネット中で、1 mlの滅菌蒸留水を消毒液を交換し、繰り返しによって5分間の種を5回すすぎLY新鮮な滅菌蒸留水1mlで置き換えます。
   2. ガス殺菌
      1. 2 mlのマイクロ遠心チューブにシードの所望の数を注ぎます。いくつかの独立したラインで作業する場合、個々のチューブを使用し、それらをプラスチック微量遠心管ボックスまたはホルダーにオープンしたアレンジ。一本のチューブ内のシードの数は、500（12.5 mg）を超えた場合、成功した滅菌を確実にするために、チューブの適切な数の種を細分化。近隣のチューブのキャップがお互いをカバーしていないことを確認してください。それは殺菌のためだけでなく、デシケーター中であることが必要であるとして、底の箱の蓋を一緒にフィット。
      2. ガラスビーカー（：使用ドラフトチャンバー注意）とともに、デシケーターのボウルに箱を置きます。
      3. 12％のNaOCl（：使用ドラフトチャンバー注意）100mlの入ったビーカーを埋めます。デシケーターに蓋を置くが、ビーカーが置かれている小さな開口部を残します。
      4. 37％塩酸3mlの（発煙）（CAUを追加TION：小さな開口を通してビーカーにヒュームフード）を使用し、迅速にデシケーターを閉じます。 Cl _2ガスの形成に起因するいくつかの時間のためのソリューション意志バブル。 O / Nを閉じた（または少なくとも8時間）システムのままにしておきます。
      5. デシケーターの蓋を外します。箱を取り出し、輸送中の汚染を避けるために蓋でそれをカバーしています。
      6. 層流キャビネットのボックスを入れ、ふたを取り外し、ガス放出を可能にするために、室温で約1時間の種を残します。
         注：種子を安全に4℃で最大2週間、閉鎖ミクロ遠心管中の乾燥を格納することができます。
2. シロイヌナズナの側根の誘導
   1. 側根の阻害（NPA処理）
      1. in vitroでの成長のための成長培地を準備します。培地の半分強ムラシゲ・スクーグ塩混合物^15、0.1グラム/ Lのミオイノシトール、10グラム/ Lのスクロースを含み、0.5で緩衝されていますG / L 2-（N-モルホリノ）エタンスルホン酸（MES）。
      2. 1 M KOHで5.7にpHを調整します。植物組織寒天を8g / Lを加え、121℃で20分間、培地をオートクレーブ。
      3. ジメチルスルホキシド（DMSO）（：使用手袋注意）NPAの25 mMストック溶液を調製します。層流キャビネット中で、（ボトルを手で保持することができる温度である）が約65°Cまでオートクレーブ培地を冷却し、10μMNPAの最終濃度を得るために、25 mMのNPAストック溶液を加えます。
      4. 静かに10秒間ボトルを振ることにより添加した際に均質化します。正方形のシャーレ（12センチメートル×12センチ）あたりの培地50mlを注ぎます。
         注：大規模な実験の場合には、容易な移動を確保するためにナイロンメッシュ（20ミクロン）を適用します。オートクレーブ処理（ 図1A）のためのメッシュ（9センチメートル×9センチ）を準備。オートクレーブ処理した場合には、無菌のピンセット（ 図1B）を使用して、増殖培地にメッシュを適用します。静かにSTEを使用して増殖培地にメッシュをプッシュそれは成長培地（ 図1B）（：無菌状態での作業注意）との良好な接触にあることを確認するrilized drigalsky。
      5. NPA-プレート上の種をまきます。
         注：場合は、大規模な実験が予定されている、（1.2.2.3を参照）2緻密でサンプリングを容易にするための50個の種子のよく整列行まきます。
         1. 液体の滅菌の場合は、200μlのピペットを用いて、NPA-プレート上に種をまきます。種子をピペットすることができるようにするために無菌状態でのピペット先端の終わり（または先端の滅菌前）の4ミリメートル - 3をカット。ピペットアップや種子を再懸濁するために数回ダウンは、その後10で約150μlの滅菌水をピペット - 20種子や先端の下部にある種子の堆積物まで待ちます。 （注意：無菌状態での作業）
            注意：先端で軽く寒天またはメッシュをタッチすると、シードと水の低下はそれから解放されます（ 図1C）。
         <ガス滅菌の場合、Liが>、粘着性表面を確保するために種子を取る前にオートクレーブしtoothpicks.Pinchに寒天につまようじを使用して種をまきます。種子に爪楊枝を使用して1つずつピックアップし、プレート上の種子を配布する（ 図1D）。また、種子に滅菌水を追加し、1.2.1.5.1（注意：無菌状態での作業）に記載されているように種をまきます。
      6. 通気性粘着テープでプレートを密封し、それらに少なくとも2日、最大1週間暗所で4℃でプレートを保存します。これは、層別化し、同期を保証し、より効率的な発芽のために必要とされます。
         注：また、種子がより少ない冷蔵庫のスペースを必要とする、播種前成層マイクロ遠心管中で蒸留水に浸漬することができます。この場合には、4℃で少なくとも1週間のチューブを格納し、直ちに（1.2.1.7参照）を播種した後、成長キャビネットにプレートを移動させます。
         3日目
      7. ほぼ垂直の位置（80〜90°）で5日（発芽と成長の3日の2日間）成長キャビネット（連続光（110μEmを^-2秒^{-1）、21°C）}にプレートを移動のではなく、培地中の根の成長を確保します。
         8日目
   2. 側根誘導（NAA処理）
      1. 1.2.1.1と1.2.1.2で説明したのと同じ成長培地を準備します。 （：使用手袋注意）DMSO中のNAAの50 mMストック溶液を調製します。 65℃までのオートクレーブ処理中に冷却し、10μMNAA（注意：無菌状態での作業）の最終濃度を得るために、培地にNAAのソリューションを追加します。
         1. 静かに10秒間ボトルを振ることにより添加した際に均質化します。正方形のシャーレ（12センチメートル×12センチ）あたりの培地50mlを注ぎます。
      2. これらのSUPに10μMのNPAを補足した成長培地を含むプレートから苗を転送10μMNAAとplemented。
         1. 苗の子葉の下に曲がったピンセットの腕を引っ掛け、ゆっくりプレートから取り外します。唯一の根が完全に好ましくは下向きNPA-増殖培地とに接触して成長しているの苗を移します。
         2. 小さな距離にわたってNAAを含む成長培地の表面上にルートをすくい取ります。植物の根は成長培地との良好な接触状態にあることを確認します。必要に応じて、ピンセットで穏やかに成長培地表面へのルートを押してください。
            注：大規模な実験の場合には、ピンセットを持つ2つの上部の角にメッシュを持ち上げてメッシュと転送と接触していないすべての苗を削除します。メッシュが小さな距離（ 図1E）の上に寒天表面上にメッシュをスキミングすることにより、NAAを含む培地との良好な接触状態にあることを確認します。
      3. 通気性のテープで新しいプレートを密封し、成長キャビネットに配置します（コンサンプリングまでの誘導後の所望の時間のための垂直位置にあるtinuous光（110μEmを^-2秒^{-1）、21℃）。}
         注：大規模な実験の場合には、メッシュ上のすべてを一度に直接ルート・セグメントをカットし、軽くメッシュの表面をこすることによって、それらをサンプリングするためにメスを使用しています。

2. LRISトウモロコシプロトコル

1. トウモロコシカーネルの階層化
   1. 少なくとも1週間、暗所で4℃でトウモロコシ穀粒をインキュベートします。
      注：このプロトコルは、B73トウモロコシ近交系を使用して開発されてきました。
2. トウモロコシカーネルの滅菌
   1日目
   注意：トウモロコシの苗は、無菌状態で増殖させることはありませんが、それはロール紙での真菌の増殖を防止するために、トウモロコシ穀粒を殺菌し、滅菌材料で作業することをお勧めしますシステム。
   1. 滅菌ガラスビーカーにトウモロコシカーネルの必要な数を入れてください。
   2. 滅菌溶液100ml（6％水中の次亜塩素酸ナトリウム）（：使用ドラフトチャンバー注意）を追加します。
   3. 磁気攪拌棒を加え、室温で5分間低攪拌速度（約250 rpm）で磁気撹拌機にビーカーを置きます。
   4. 新鮮な滅菌水100mlでソリューションを置き換えることにより、5分間、5回洗浄します。
3. トウモロコシカーネルを蒔きます
   1. 汚染のリスクを軽減し、ペーパータオルのロールを取るために手袋を着用してください。
   2. 2枚（約92センチメートル×24センチ）の長さの合計とハンドタオル紙の2ストレッチを切り取り、きれいな表面（ 図2A）に互いの上にそれらを配置します。
   3. シートは、長さ（約92センチメートル×12センチ）（ 図2A）の上に二つ折り。
   4. トン以上の上部から約2cmで10のカーネルを配布するためにピンセットを使用して、彼の紙の全体の長さ、両端（ 図2B）で無料各カーネルと8センチメートル間に8cmの隙間を維持しながら。カーネルの幼根がダウンと紙（ 図2B）を向いていることを確認します。
   5. （ 図2B）の場所に種を維持しながらゆっくりと、長さにわたって紙をロールバックします。ローリングを促進するために、それは最初に滅菌水で紙をスプレーするオプションです。
   6. 約6センチ、直径14センチ、高さ（例えば、250ミリリットル遠心管）の滅菌ガラス管にロール紙を入れて、ラック（ 図2C）に配置します。
4. トウモロコシにおける側根の誘導
   1. （DMSOに溶解）の50mM NPA原液（：使用手袋注意）を準備。
   2. 各チューブは、滅菌ガラスビーカーに125 mlの滅菌水に50mMのNPAストック溶液から125μLを添加することにより、50μMのNPAソリューションを作ります。
   3. よく混ぜ、チューブ内のロール紙の上に、50μMNPA液の125ミリリットルを注ぎます。ロール紙は、ソリューションを吸収し、完全に浸しになります。
      注意：他の寸法のロール紙とチューブを使用する場合は、それに応じて音量を調整します。液体は、十分な取り込みを確保するために途中でチューブに到達する必要があります。
   4. 3日（27℃、連続光、相対湿度70％）の成長キャビネットにロール紙システムを配置します。ロール紙は、ソリューションが（ 図2D）時間をかけて蒸発するので、余分な50μMのNPA溶液を添加することにより浸したままであることを確認してください。
      4日目
   5. （DMSOに溶解）、50mMのNAA原液（：使用手袋注意）を準備。
   6. 各チューブは、滅菌ガラスビーカーに125 mlの滅菌水に50mMのNAAストックから125μlのを追加することで、50μMのNAA液を調製。
   7. ゆっくりと紙ロールから残りNPAソリューションのほとんどを絞り出すと場所（：使用手袋注意）それを洗い流すために5分間滅菌水中メートル。ゆっくりと紙ロールからほとんどの水を絞り出します。この洗浄工程を3回繰り返します。
   8. 十分に混合し、チューブ内の用紙ロールオーバー、50μMのNAA液を注ぎます。彼らは完全に浸されていることを確認します。
   9. 誘導後の所望の期間の成長キャビネット（27℃、連続光、相対湿度70％）にロール紙システムを配置します。
5. トウモロコシの不定冠根における側根の誘導
   注：上記のLRISとしては、プライマリルートに側根を誘導します。しかし、トウモロコシおよび他の単子葉植物、プライマリルートおよび胚種子根に、一緒に彼らの側根で、開発苗の間に主に重要です。植物の成長の後の段階では、後胚不定根が茎に発生し、また、新しい根系^{16を形成するために、}側根を開発しています。 LRISも使用することができますdは、胚主要ルートにLRISにいくつかのマイナーな調整に従うことによって、これらの後胚不定冠根の側根を誘導しました。
   1. ロール紙を作るために、それぞれ外側にハンドタオル紙の二つの層、および内で発芽紙の2層を有する紙のサンドイッチを作成します。発芽紙の2枚の間に（ステップ2.1〜2.2を参照）滅菌カーネルを配置します。ハンドタオル紙に比べて発芽紙は、紙の開口部は、後に容易に転がるようになりますこれは、根毛と側根が貫通しにくいでしょう。一方、ハンドタオル紙の2つの外部層は、液体の吸収を促進します。
   2. 700ミリリットルのガラス管にロールを挿入し、それらの上NPAずに滅菌水を注ぎます。彼らは完全に浸されていることを確認します。
   3. 成長キャビネットに滅菌カーネルを発芽（ステップ2.4​​.9を参照）。
   4. 不定冠根まで苗を育てます（B73のために6日）出現し始めます。ロール紙が必要なときに滅菌水を添加することにより、常に湿った保たれていることを確認します。
   5. 4日間、25μMNPA溶液に移す（ステップは2.4.4に2.4.1を参照）、洗浄工程の後、50μMのNAA液でNPAソリューションを置き換えることにより、側根開始の同様の誘導に続いて（ステップ2.4​​を参照してください2.4.9に0.5）。

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結果

LRISの適用は、側根開始プロセスの比較トランスクリプトを実行します

LRISの1つの用途は、異なる種における側根形成の間の比較遺伝子発現プロファイルの相関関係です。比較トランスクリプトミクスは、異なる種における側根の開発プロセスに関与オルソロガス遺伝子を特定する可能性を作成して近づきま?...

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ディスカッション

シロイヌナズナ LRISプロトコルでは、それが唯一の完全NPAを含む成長培地と接触して成長した実生を転送することが重要です。これは、側根の開始は全体の根の長さの上にブロックされることを保証します。転送中の小植物を傷つけないようにするために、湾曲した鉗子のアームは、苗の子葉の下に引っ掛けることができます。転送時には、苗の根はNAAを含む寒天培地と十分に接触し?...

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資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
ARABIDOPSIS LRIS
Seeds
Arabidopsis seeds			Col-0 ecotype
Gas sterilization of seeds
micro-centrifuge tubes 1.5 ml	SIGMA-ALDRICH	0030 125.215	Eppendorf microtubes 3810X, PCR clean
micro-centrifuge tubes 2 ml	SIGMA-ALDRICH	0030 120.094	Eppendorf Safe-Lock microcentrifuge tubes
hydrochloric acid	Merck KGaA	1,003,171,000	37% (fuming) for analysis EMSURE ACS,ISO,Reag. Ph Eu
glass desiccator	SIGMA-ALDRICH		Pyrex
glass beaker
plastic micro-centrifuge tubes box or holder
Bleach sterilization of seeds
ethanol	Chem-Lab nv	CL00.0505.1000	Ethanol, abs. 100% a.r. dilute to 70%
sodium hypochlorite (NaOCl)	Carl Roth	9062.3	12%
Tween 20	SIGMA-ALDRICH	P1379
sterile water
Growth medium
Murashige and Skoog salt mixture	DUCHEFA Biochemie B.V.	M0221-0050
myo-inositol	SIGMA-ALDRICH	I5125-100G
2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid (MES)	DUCHEFA Biochemie B.V.	M1503.0100
sucrose	VWR, Internation LLC	27483.294	D(+)-Sucrose Ph. Eur.
KOH	Merck KGaA	1050211000	pellets for analysis (max. 0.002% Na) EMSURE ACS,ISO,Reag. Ph Eur
Plant Tissue Culture Agar	LabM Limited	MC029
Lateral root induction chemicals
N-1-naphthylphthalamic acid (NPA)	DUCHEFA Biochemie B.V.	No. N0926.0250	10 µM (Arabidopsis)
1-naphthalene acetic acid (NAA)	DUCHEFA Biochemie B.V.	No. N0903.0050	10 µM (Arabidopsis)
dimethylsulfoxide (DMSO)	SIGMA-ALDRICH	494429-1L
Making a mesh for transfer
nylon mesh	Prosep byba		Synthetic nylon mesh 20 µm
Sowing and seedling handling
square petri dish plates	GOSSELIN	BP124-05	12 x 12 cm
50 ml DURAN tubes	SIGMA-ALDRICH	CLS430304	Corning 50 ml centrifuge tubes
drigalski	Carl Roth	K732.1
pipette
cut pipette tips	Daslab	162001X	Universal 200, cut off 5 mm of tip before autoclaving
breathable tape	3M Deutschland GmbH	cat. no. 1530-1
tweezers	Fiers nv/sa	K342.1; K344.1	Dumont tweezers type a nr 5; Dumont tweezers type e nr 7
Growth conditions
growth room			21 °C, continuous light
Materials	Company	Catalog	Comments
MAIZE LRIS
Seeds
Maize kernels			B-73
Bleach sterilization of kernels
glass beaker
magnetic stirrer	Fiers nv/sa	C267.1
sodium hypochlorite (NaOCl)	Carl Roth	9062.3	12%
sterile water
Lateral root induction chemicals
N-1-naphthylphthalamic acid (NPA)	DUCHEFA Biochemie B.V.	No. N0926.0250	50 µM (maize primary root), 25 µM (maize adventitious root)
1-naphthalene acetic acid (NAA)	DUCHEFA Biochemie B.V.	No. N0903.0050	50 µM (maize)
dimethylsulfoxide (DMSO)	SIGMA-ALDRICH	494429-1L
Sowing and seedling handling
paper hand towels	Kimberly-Clark Professional*	6681	SCOTT Hand Towels - Roll / White; sheet size (24 x 46 cm)
seed germination paper	Anchor Paper Company		10 X 15 38# seed germination paper
tweezers	Fiers nv/sa	K342.1; K344.1	Dumont tweezers type a nr 5; Dumont tweezers type e nr 7
250 ml (centrifuge) tubes	SCHOTT DURAN	2160136	approx. 5.6 cm diameter and 14.7 cm height
700 ml tubes	DURAN GROUP	213994609	cylinders, round foot tube, D 60  x 250
rack			for maize tubes, home made
sterile water
Growth conditions
growth cabinet			27 °C, continuous light, 70% relative humidity