Name: development of microfluidic devices to study the elongation capability of tip-growing plant cells in extremely small spaces
Uploaded: 2018-05-22T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Development of Microfluidic Devices to Study the Elongation Capability of Tip-growing Plant Cells in Extremely Small Spaces at JoVE.com

Мы благодарим H. Цуцуи и D. Курихара за предоставление нам трансгенных растений, в том числе т. fournieriRPS5Ap::H2B-tdTomato линия и линия A. thaliana UBQ10pro::H2B-mClover , соответственно. Эта работа получила поддержку от института трансформативных био-молекул Нагойский университет и сеть науки Японии расширенный завод. Финансовую поддержку для этой работы была представлена грантами от Японии науки и технологии (проект ERATO Грант нет. JPMJER1004 для т.г.), субсидий для научных исследований в инновационных областях (Nos. JP16H06465 и JP16H06464 для т.г.) и Япония общества для поощрения науки (JSP) дотаций для сложных поисковых исследований (Грант № 26600061 для Нью-Йорк и Грант № 25650075 и 15 K 14542 для я.с.).

1. Изготовление микроустройств PDMS для изучения выращивания пыльцы трубы и Мосс Protonemata
Примечание: Мы использовали maskless фотолитографии инструмент для подготовки PDMS плесени на кремниевых пластин. Детали относительно функционирования системы опущены в этой рукописи. Станд?...

<ol>
	<li>Higashiyama, T., Takeuchi, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Mechanism+and+Key+Molecules+Involved+in+Pollen+Tube+Guidance.">The Mechanism and Key Molecules Involved in Pollen Tube Guidance.</a> Annu. Rev. Plant. Biol. 66, 393-413 (2015).</li><li>Vogler, H., Shamsudhin, N., Nelson, B. J., Grossniklaus, U., Obermeyer, G., Feij&#243;, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+cytomechanical+forces+on+growing+pollen+tubes.">Measuring cytomechanical forces on growing pollen tubes.</a> Pollen Tip Growth. , 65-85 (2017).</li><li>Kehr, J., Wagner, C., Willmitzer, L., Fisahn, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+modified+carbon+allocation+on+turgor,+osmolality,+sugar+and+potassium+content+and+membrane+potential+in+the+epidermis+of+transgenic+potato+(Solanum+tuberosum+L.)+plants.">Effect of modified carbon allocation on turgor, osmolality, sugar and potassium content and membrane potential in the epidermis of transgenic potato (Solanum tuberosum L.) plants.</a> J. Exp. Bot. 50 (334), 565-571 (1999).</li><li>Benkert, R., Obermeyer, G., Bentrup, F. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+turgor+pressure+of+growing+lily+pollen+tubes.">The turgor pressure of growing lily pollen tubes.</a> Protoplasma. 198, 1-8 (1997).</li><li>Vogler, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+pollen+tube:+a+soft+shell+with+a+hard+core.">The pollen tube: a soft shell with a hard core.</a> Plant J. 73 (4), 617-627 (2013).</li><li>Shamsudhin, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Massively+parallelized+pollen+tube+guidance+and+mechanical+measurements+on+a+Lab-on-a-Chip+platform.">Massively parallelized pollen tube guidance and mechanical measurements on a Lab-on-a-Chip platform.</a> PloS one. 11 (12), e0168138 (2016).</li><li>Cheung, A. Y., Boavida, L. C., Aggarwal, M., Wu, H. M., Feij&#243;, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+pollen+tube+journey+in+the+pistil+and+imaging+the+in+vivo+process+by+two-photon+microscopy.">The pollen tube journey in the pistil and imaging the in vivo process by two-photon microscopy.</a> J Exp Bot. 61 (7), 1907-1915 (2010).</li><li>Metzner, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+comparison+of+MRI+and+X-ray+CT+technologies+for+3D+imaging+of+root+systems+in+soil:+Potential+and+challenges+for+root+trait+quantification.">Direct comparison of MRI and X-ray CT technologies for 3D imaging of root systems in soil: Potential and challenges for root trait quantification.</a> Plant Methods. 11 (1), 1-11 (2015).</li><li>Xia, Y., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+Lithography.">Soft Lithography.</a> Angew Chemie Int Ed. 37 (5), 550-575 (1998).</li><li>Massalha, H., Korenblum, E., Malitsky, S., Shapiro, O. H., Aharoni, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Live+imaging+of+root-bacteria+interactions+in+a+microfluidics+setup.">Live imaging of root-bacteria interactions in a microfluidics setup.</a> P Natl Acad Sci. 114 (17), 4549-4554 (2017).</li><li>Grossmann, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time-lapse+Fluorescence+Imaging+of+Arabidopsis+Root+Growth+with+Rapid+Manipulation+of+The+Root+Environment+Using+the+RootChip.">Time-lapse Fluorescence Imaging of Arabidopsis Root Growth with Rapid Manipulation of The Root Environment Using the RootChip.</a> J Vis Exp. (65), (2012).</li><li>Busch, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+microfluidic+device+and+computational+platform+for+high-throughput+live+imaging+of+gene+expression.">A microfluidic device and computational platform for high-throughput live imaging of gene expression.</a> Nature Methods. 9, 1101-1106 (2012).</li><li>Parashar, A., Pandey, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plant-in-chip:+Microfluidic+system+for+studying+root+growth+and+pathogenic+interactions+in+Arabidopsis.">Plant-in-chip: Microfluidic system for studying root growth and pathogenic interactions in Arabidopsis.</a> Appl. Phys. Lett. 98, 263703 (2011).</li><li>Bascom, C. S., Wu, S. -. Z., Nelson, K., Oakey, J., Bezanilla, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-Term+Growth+of+Moss.">Long-Term Growth of Moss.</a> in Microfluidic Devices Enables Subcellular Studies in Development. Plant Physiol. 172 (1), 28-37 (2016).</li><li>Higashiyama, T., Kuroiwa, H., Kawano, S., Kuroiwa, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Guidance+in+vitro+of+the+pollen+tube+to+the+naked+embryo+sac+of+Torenia+fournieri.">Guidance in vitro of the pollen tube to the naked embryo sac of Torenia fournieri.</a> Plant Cell. 10, 2019-2032 (1998).</li><li>Nishiyama, T., Hiwatashi, Y., Sakakibara, K., Kato, M., Hasebe, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tagged+mutagenesis+and+gene-trap+in+the+moss,+Physcomitrella+patens+by+shuttle+mutagenesis.">Tagged mutagenesis and gene-trap in the moss, Physcomitrella patens by shuttle mutagenesis.</a> DNA Res. 7, 9-17 (2000).</li><li>Maruyama, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Independent+Control+by+Each+Female+Gamete+Prevents+the+Attraction+of+Multiple+Pollen+Tubes.">Independent Control by Each Female Gamete Prevents the Attraction of Multiple Pollen Tubes.</a> Dev. Cell. 25 (3), 317-323 (2013).</li><li>Rensing, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Physcomitrella+genome+reveals+evolutionary+insights+into+the+conquest+of+land+by+plants.">The Physcomitrella genome reveals evolutionary insights into the conquest of land by plants.</a> Science. 319, 64-69 (2008).</li><li>Yanagisawa, N., Sugimoto, N., Arata, H., Higashiyama, T., Sato, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Capability+of+tip-growing+plant+cells+to+penetrate+into+extremely+narrow+gaps.">Capability of tip-growing plant cells to penetrate into extremely narrow gaps.</a> Sci. Rep. 7 (1), 1403 (2017).</li><li>Dolan, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Clonal+relationships+and+cell+patterning+in+the+root+epidermis+of+Arabidopsis.">Clonal relationships and cell patterning in the root epidermis of Arabidopsis.</a> Development. 120, 2465-2474 (1994).</li><li>Denais, C. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nuclear+envelope+rupture+and+repair+during+cancer+cell+migration.">Nuclear envelope rupture and repair during cancer cell migration.</a> Science. 352 (6283), 353-358 (2016).</li></ol>

Несколько важных шагов в протоколе необходимо следовать именно для получения результатов, представленных выше. Во-первых слой и стеклянных поверхностей нижней блюдо PDMS оба следует подходить плазмы для достаточное количество времени, прежде чем склеивания. В противном случае PDMS слой м...

После того, как зерна пыльцы прорастают на клеймо, каждое зерно производит один пыльцы труба, которая несет сперматозоиды яйцеклетка и центральная ячейка в яйцеклетку для Двойное оплодотворение. Пыльца трубы удлиненное через стиль и в конечном итоге достичь яйцеклетку путем зондирования несколько указания подсказки вдоль их способ1. Во время удлинения пыльца трубы сталкиваются ряд физических барьеров; передавая трек наполнен клетки, и пыльца трубы необходимо ввести минуту micropylar открытие яйцеклетку для достижения их целей (рис. 1A)2. Таким образом пыльца трубы должны иметь способность проникать физических препятствий, а терпимое отношение напряжений от их окружения. Корневые волоски являются еще одним типом растущего кончика растительной клетки, которые должны выдерживать физические препятствия в окружающей среде, в виде Упакованные почвенных частиц (рис. 1B).
Были изучены различные механические свойства труб пыльцы, включая тургор и жесткость клетки апикальной региона, которая может быть измерена с помощью зарождающегося плазмолиза метод3,4 и клеточных силовой микроскопии (CFM) 5 , 6, соответственно. Однако эти методы только не свидетельствуют ли пыльцы трубы способны удлинения через физические барьеры на пути их роста. Альтернативный метод, который позволяет удлинение трубки пыльцы наблюдаемого в естественных условиях — микроскопия два фотона7. Однако, с помощью этого метода, трудно наблюдать морфологические изменения в отдельных труб пыльцы глубоко внутри ткани яйцеклетку. Кроме того рост корня волос в почве могут быть визуализированы с помощью рентгеновская компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ)8, хотя и с низким разрешением. Здесь мы представляем метод, который может использоваться для приобретения изображения с высоким разрешением процесса деформации клетки на обычных микроскопа.
Общая цель метода, описанного здесь является для визуализации возможность удлинения подсказка выращивания растительных клеток, включая пыльцы трубы, корневые волоски и Мосс protonemata, в очень малых пространствах. Как микроприборов поли dimethylsiloxane (PDMS), представленные в этой рукописи оптически прозрачны и воздуха проницаемой, мы можем культура живых клеток внутри устройства и наблюдать за их поведением роста под микроскопом. Это также возможно для создания микро ~ нанометровом масштабе запрещено техника мягкой литографии9 с использованием формы. Эти функции позволяют нам изучить возможность удлинения подсказка выращивания растительных клеток в физически ограниченном среде.
В этой работе мы построен 1 мкм большой разрыв (4 мкм в высоту) в microfluidic приборы и изучил пыльцы трубок способность проникать эти искусственные препятствия, которые намного меньше, чем диаметр цилиндрических труб пыльцы (примерно 8 мкм). Эта экспериментальная платформа позволяет нам визуализировать пыльцы трубки ответ на microgaps и снимки промежуток времени ответа, которые отслеживать процесс деформации клетки. Мы также разработали Микроустройства, который может использоваться для изучения возможности проникновения корневой волосы и protonemata мох. Несколько микроприборов поступили на сегодняшний день, позволяющие визуализации корень10,11,12,13 и Мосс protonemata14 роста растений с высоким разрешением. В нашем устройстве ряд каналов корня волос роста связаны перпендикулярно к камере роста корня, и отдельные корневые волоски (примерно 7 мкм в диаметре) руководствуются аэрогидродинамических каналов с 1 мкм большой разрыв. Мы также выращиваются Мосс protonemata (примерно 20 мкм в диаметре) в микроустройств, содержащие microgaps для изучения их ответы на эти физические барьеры. Предлагаемый подход, основанный на microfluidic позволяет нам исследовать возможности клеток различных подсказка растущих растений удлиненное через чрезвычайно малых пространств, которые не могут быть рассмотрены любых других имеющихся в настоящее время методом.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="927">
	<tbody>
		<tr height="18">
			<td height="18" style="height:19px;width:216px;">PDMS</td>
			<td style="width:165px;">Dow Corning Co.</td>
			<td style="width:119px;">Sylgard184</td>
			<td style="width:427px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Murashige &#38; Skoog Medium</td>
			<td style="width:165px;">Wako Pure Chemical</td>
			<td style="width:119px;">392-00591</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">MES</td>
			<td style="width:165px;">Dojindo</td>
			<td style="width:119px;">345-01625</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Sucrose</td>
			<td style="width:165px;">Wako Pure Chemical</td>
			<td style="width:119px;">196-00015</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">50 mm glass-bottom dish</td>
			<td style="width:165px;">Matsunami Glass</td>
			<td style="width:119px;">D210402</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">35 mm glass-bottom dish</td>
			<td style="width:165px;">Iwaki&#160;</td>
			<td style="width:119px;">3971-035</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Surgical blade</td>
			<td style="width:165px;">Feather</td>
			<td style="width:119px;">No.11</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">biopsy punches</td>
			<td style="width:165px;">Harris</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Uni-Core</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Gel loading tips</td>
			<td style="width:165px;">Bio-Bik</td>
			<td style="width:119px;">124-R-204</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Inverted Microscope</td>
			<td style="width:165px;">Olympus</td>
			<td style="width:119px;">IX83</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:22px;width:216px;">CSU-W1</td>
			<td style="width:165px;">Yokogawa Electric</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>No Catalog number is avairable for this customized microscope</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">MetaMorph imaging software</td>
			<td style="width:165px;">Molecular Devices</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

development of microfluidic devices to study the elongation capability of tip-growing plant cells in extremely small spaces

В естественных условиях, подсказка выращивания растительных клеток необходимо преодолеть целый ряд физических барьеров; Однако исследователи отсутствие методологии для визуализации клеточных поведение таких ограничительных условий. Для решения этой проблемы, мы разработали роста камеры для растущего кончика растительных клеток, которые содержат ряд узких, микро сфабрикованы пробелов (~ 1 мкм) в субстрате поли dimethylsiloxane (PDMS). Этот прозрачный материал позволяет пользователю контролировать кончик удлинение процессы в отдельных клетках во время проникновения микро покадровой изображений. С помощью этой экспериментальной платформы, мы наблюдали морфологические изменения в пыльцы трубы, как они проникли микро. В ходе этого процесса мы захватили динамические изменения в форме дневно обозначенные вегетативные ядра и сперматозоиды в пробирке пыльцы. Кроме того мы продемонстрировали возможности корневой волосы и protonemata мох проникнуть 1 мкм разрыв. Эта платформа в vitro могут быть использованы для изучения как отдельные клетки реагируют на физически ограниченного пространства и может обеспечить понимание механизмов Совет роста.

Как показано на рисунке 1, подсказка выращивания растительных клеток сталкиваются ряд физических барьеров на пути их роста в естественных условиях. Microfluidic в vitro клетки культуры платформ представлено в настоящем исследовании включено рассмот...

Watch this Scientific Journal Video about Development of Microfluidic Devices to Study the Elongation Capability of Tip-growing Plant Cells in Extremely Small Spaces at JoVE.com

Development of Microfluidic Devices to Study the Elongation Capability of Tip-growing Plant Cells in Extremely Small Spaces

Мы опишем способ исследовать возможности растущего кончика растительных клеток, включая пыльцы трубы, корневые волоски и Мосс protonemata, чтобы растянуть через чрезвычайно узкие щели (~ 1 мкм) в устройство microfluidic.

Разработка Microfluidic приборы для изучения удлинение возможности Tip выращивания растительных клеток в чрезвычайно малых пространств

In vivo, tip-growing plant cells need to overcome a series of physical barriers; however, researchers lack the methodology to visualize cellular behavior ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Separating Beads and Cells in Multi-channel Microfluidic Devices Using Dielectrophoresis and Laminar Flow

Разделение Бусы и клетки в Многоканальные Устройства микрожидкостных Использование Диэлектрофорез и ламинарного потока

Microfluidic devices have advanced cell studies by providing a dynamic fluidic environment on the scale of the cell for studying, manipulating, sorting ...

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

Дизайн Циклические биореактора давление для Ex Vivo Изучение аортального клапанов сердца

The aortic valve, located between the left ventricle and the aorta, allows for unidirectional blood flow, preventing backflow into the ventricle. Aortic ...

Simple Microfluidic Devices for in vivo Imaging of C. elegans, Drosophila and Zebrafish

Simple Microfluidic Devices for in vivo Imaging of C. elegans, Drosophila and Zebrafish

Простой микрофлюидных устройства для<em&gt; В естественных условиях</em&gt; Визуализация<em&gt; C. Элеганс</em&gt;<em&gt; Drosophila</em&gt; И данио рерио

Micro fabricated fluidic devices provide an accessible micro-environment for in vivo studies on small organisms. Simple fabrication processes are ...

Layer-by-layer Collagen Deposition in Microfluidic Devices for Microtissue Stabilization

Слой за слоем Коллаген осаждения в микрофлюидных Устройства для стабилизации Microtissue

Although microfluidics provides exquisite control of the cellular microenvironment, culturing cells within microfluidic devices can be challenging. 3D ...

Construction of Defined Human Engineered Cardiac Tissues to Study Mechanisms of Cardiac Cell Therapy

Строительство Defined человека Engineered сердечной ткани для изучения механизмов сердечной терапии клеток

Human cardiac tissue engineering can fundamentally impact therapeutic discovery through the development of new species-specific screening systems that ...

Using Adhesive Patterning to Construct 3D Paper Microfluidic Devices

С помощью клея паттернирования Построить 3D бумаги микрожидком устройств

We demonstrate the use of patterned aerosol adhesives to construct both planar and nonplanar 3D paper microfluidic devices. By spraying an aerosol ...

The Arteriovenous (AV) Loop in a Small Animal Model to Study Angiogenesis and Vascularized Tissue Engineering

The Arteriovenous AV Loop in a Small Animal Model to Study Angiogenesis and Vascularized Tissue Engineering

Loop Arteriovenous (AV) в модели мелких животных для изучения ангиогенеза и васкуляризированных тканевой инженерии

A functional blood vessel network is a prerequisite for the survival and growth of almost all tissues and organs in the human body. Moreover, in ...

Automated Robotic Liquid Handling Assembly of Modular DNA Devices

Автоматизированных роботов жидкой обработке Ассамблеи устройств модульной ДНК

Recent advances in modular DNA assembly techniques have enabled synthetic biologists to test significantly more of the available &#34;design space&#34; ...

Multi-step Variable Height Photolithography for Valved Multilayer Microfluidic Devices

Многоступенчатая переменной высоты фотолитографии для Valved Многослойные микрожидком устройств

Microfluidic systems have enabled powerful new approaches to high-throughput biochemical and biological analysis. However, there remains a barrier to ...

Fabrication of Three-dimensional Paper-based Microfluidic Devices for Immunoassays

Изготовление Трехмерная бумаги на основе микрожидком Устройства для иммуноанализа

Paper wicks fluids autonomously due to capillary action. By patterning paper with hydrophobic barriers, the transport of fluids can be controlled and ...