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Este informe describe los métodos fundamentales utilizados para cultivar y manipular experimentalmente el alga estreptofita unicelular, Penium margaritaceum. También proporciona protocolos fundamentales de imágenes basadas en microscopía, incluido el marcaje de células vivas con anticuerpos monoclonales y otras sondas fluorescentes y microscopía electrónica de barrido.
La pared celular es el primer componente de la recepción/transducción de señales para una célula vegetal durante el desarrollo y cuando responde a factores abióticos y bióticos ambientales. La célula monitorea constantemente la integridad de su pared celular y la modula en respuesta al estrés. Dilucidar las modulaciones estructurales y bioquímicas específicas que ocurren en la pared celular es una tarea difícil, especialmente cuando se emplean plantas multicelulares y sus órganos/tejidos. Esto se debe a los límites en cuanto a lo que se puede resolver en una célula individual que forma parte de una red multicelular compleja. El alga estreptofita unicelular, Penium margaritaceum, se ha utilizado recientemente en investigaciones sobre la dinámica de la pectina, la plasticidad fenotípica basada en la pared celular y múltiples aspectos de la biología celular de las algas. Su fenotipo simple, su pared celular distintiva que tiene muchos componentes notablemente similares a las paredes celulares de las plantas terrestres y su facilidad en los estudios inmunocitoquímicos y experimentales lo convierten en un poderoso organismo modelo en la biología de la pared celular de las plantas. El objetivo de este estudio es proporcionar las técnicas básicas para el cultivo, la manipulación experimental y la detección de los factores estresantes aplicados. Protocolos de cribado para inmunocitoquímica, imágenes de microscopía de barrido láser confocal e imágenes de microscopía electrónica de barrido de la estructura de la pared celular. Del mismo modo, muchas de las técnicas descritas pueden modificarse para una amplia gama de otros estudios celulares y moleculares.
La pared celular de una planta es una red polimérica compleja que tiene múltiples funciones en la vida de una célula vegetal1. La integridad de la pared celular es monitoreada constantemente por la célula durante el desarrollo y en respuesta al estrés ambiental y, modula en química y estructura en consecuencia. Penium margaritaceum es un alga verde unicelular que ha sido utilizada recientemente en estudios de algas estreptofitas (Streptophyta, el grupo de algas verdes más estrechamente relacionadas y ancestrales de las plantas terrestres2).
Durante las últimas dos décadas, P. margaritaceum ha sido un organismo importante en las investigaciones de la pared celular y la dinámica de la matriz extracelular, las actividades del sistema de endomembranas, la manifestación de la forma de las células y la evolución de las plantas 3,4,5,6,7,8,9,10,11 . El objetivo de este trabajo es proporcionar a los investigadores de la pared celular de las plantas los métodos fundamentales para cultivar P. margaritaceum, manipularlo experimentalmente utilizando técnicas basadas en microplacas y monitorear la estructura de su pared celular utilizando el marcaje inmunocitoquímico de células vivas y la imagen con técnicas de microscopía óptica y electrónica. P. margaritaceum tiene muchas similitudes en la bioquímica de la pared celular con las paredes celulares primarias de las plantas terrestres. Hemos ideado múltiples protocolos que aprovechan el fenotipo unicelular único de esta alga y proporcionan un medio rápido para estudiar la dinámica de la pared celular que a menudo es difícil de monitorear en plantas multicelulares. Estas técnicas serán de ayuda para los biólogos de la pared celular de las plantas que deseen dilucidar la dinámica detallada de la pared celular, especialmente los que se ocupan de la pectina, y servirán como punto de partida para los estudios relacionados con la biología celular de las plantas y las algas estreptofitas.
NOTA: Penium margaritaceum se obtiene en el Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen - Colección de Cultivos de Algas de la Universidad de Göttingen, SAG; Cepa #2640.
1. Mantenimiento de las culturas
2. Marcaje de la pared celular con anticuerpos monoclonales
NOTA: P. margaritaceum está cubierto con una pared celular primaria que tiene muchos de los mismos constituyentes que se encuentran en las paredes celulares primarias de las plantas terrestres11. Muchos de los anticuerpos monoclonales (mAb) generados contra los epítopos de la pared celular de las plantas terrestres reconocen componentes de la pared celular de P. margaritaceum . Las fuentes de estos anticuerpos incluyen el Centro de Investigación de Carbohidratos Complejos de la Universidad de Georgia (ccrc@uga.edu) o Kerafast (kerafast.com). Después del marcaje de la pared celular de las células vivas con mAbs primarios específicos para los epítopos de la pared celular y anticuerpos secundarios conjugados con fluoróforos (por ejemplo, FITC, TRITC), las células pueden volver a colocarse en cultivo sin afectar la salud de la célula o la deposición de la pared celular. El marcaje fluorescente de la pared celular permanece indefinidamente, y la pared celular recién secretada se presenta como zonas oscuras (es decir, no marcadas) que pueden medirse para determinar las tasas de expansión celular y/o marcarse de nuevo con mAbs u otras sondas.
3. Medición de la pared celular y las tasas de expansión celular a lo largo del tiempo
4. Imágenes de lapso de tiempo de la expansión de la pared celular
5. Observación de la producción de sustancias poliméricas extracelulares (EPS)
6. Imágenes de lapso de tiempo de la formación de rastros de EPS
7. Análisis estructural correlativo de la pared celular con microscopía electrónica de barrido (SEM)
NOTA: Las características alteradas de la pared celular observadas en células vivas marcadas con anticuerpos específicos de células se pueden obtener imágenes detalladas mediante SEM. Este enfoque correlativo permite obtener datos ultraestructurales que se pueden comparar con los datos de fluorescencia.
El marcaje de la pared celular de P. margaritaceum con mAbs anti-pectina (por ejemplo, JIM5) revela una red de fibras complejadas con calcio y proyecciones que forman un patrón regular o red (Figura 1). La pectina se deposita en el centro celular o istmo, donde desplaza a la pectina más vieja hacia los polos (Figura 2). El marcaje con un anticuerpo JIM7 similar a la pectina diferente destaca la secreción inicial de pectina con alto contenido de metilesterificado en una banda estrecha en el istmo (Figura 3A, B). Otros polímeros ubicados en la pared celular, incluida la proteína arabinogalactano que está marcada con el mAb, JIM13 (Figura 4). Grandes cantidades de EPS se secretan externamente a la pared celular (Figura 5), lo que permite el deslizamiento y la formación de agregados celulares. Varias de estas técnicas de marcaje pueden integrarse en estudios de desarrollo, incluido el examen cuantitativo de la pared celular y la expansión celular (Figura 6). Del mismo modo, los estudios estructurales correlativos de la pectina mediante imágenes SEM proporcionan información ultraestructural detallada (Figura 7) que puede compararse con la microscopía basada en fluorescencia de marcaje de células vivas.
Los métodos proporcionados proporcionan una guía fundamental para emplear un alga unicelular como P. margaritaceum para varios tipos de análisis. La capacidad de realizar el inmunomarcaje de células vivas de la pared celular y de seguir los eventos de desarrollo posteriores es una ventaja particular que a menudo no se permite con los sistemas multicelulares. P. margaritaceum también ofrece una pared celular donde la pectina se encuentra en la superficie externa de la pared celular (es decir, directamente accesible para la microscopía). La obtención de imágenes y la experimentación con células en pocillos de placas de micropocillos ofrecen un medio conveniente para recopilar datos rápidamente. Finalmente, los medios para correlacionar los datos CLSM con los datos SEM proporcionan un conducto valioso para comparar eventos de células vivas con información ultraestructural.
Figura 1: Marcaje de la red de pectina con el anticuerpo monoclonal. La especificidad del anticuerpo JIM5 es homogalacturonano poco esterificado. Observe las distintas proyecciones (flechas blancas) en la superficie de la pared celular. La zona de expansión (flecha negra) es donde se agregan nuevos materiales de pared celular. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Marcaje de células JIM5 durante el desarrollo. Inicialmente, la célula se marcó con JIM5-TRITC (naranja y *) y se volvió a colocar en cultivo. Después de 24 h, las células se recolectaron y se marcaron con JIM5-FITC (verde y flecha). Esta zona representa un nuevo crecimiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Etiquetado JIM7 de pectina altamente esterificada. (A) Marcaje de pectina altamente esterificada con el anticuerpo monoclonal, JIM7 (especificidad: homogalacturonano altamente esterificado) en la zona de expansión. Observe la capa estrecha (flecha blanca) en la superficie de la pared celular. (B) Etiquetado conjunto de pectina alta y baja esterificada de la pared celular durante la expansión celular. Inicialmente, la célula se marcó con JIM5-TRITC (naranja y *) y se volvió a colocar en cultivo. A las 24 h después, las células fueron recolectadas y marcadas con JIM7-FITC (verde y flecha). Las zonas oscuras entre las zonas etiquetadas representan pectina recién agregada (flechas negras). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Proteínas arabinoglactanos de la pared celular. Marcaje de las proteínas arabinogalactano (AGPs) de la superficie de la pared celular con el anticuerpo monoclonal, JIM13. Obsérvese la asociación laxa de los AGP con la pared celular (flechas). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Imágenes de rastros de deslizamiento con perlas fluorescentes. (A) Una perlas fluorescentes de 0,75 μm adheridas a la superficie de la pared celular (flechas). (B) Unión de perlas fluorescentes de rastros de EPS. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: La medición de la expansión de la pared celular se puede realizar después del etiquetado JIM5-TRITC. Las células se vuelven a colocar en cultivo y se dejan crecer durante 24 h, 48 h y 72 h. Las alícuotas de las células pueden extraerse en un período de tiempo específico y observarse con un microscopio de barrido láser confocal de fluorescencia. El porcentaje de nuevo crecimiento se determina midiendo la pared celular no marcada (línea blanca) frente a la longitud celular completa (línea amarilla). La fluorescencia roja es la autofluorescencia de la clorofila. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: Estudios correlativos. (A) La red típica está hecha de una malla de fibras que a menudo terminan externamente en distintas proyecciones (flecha). (B) Cuando se trata con grandes cantidades de calcio, la red se transforma en depósitos irregulares (flechas). Célula etiquetada con JIM5. (C) Cuando las paredes celulares se tratan como en (B) y se examinan con SEM, la pectina desorganizada (flecha) se observa en detalle. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
P. margaritaceum es un organismo eficaz para dilucidar la dinámica del desarrollo de la pared celular y la secreción de MEC en plantas y algas estreptófitas. Los principales atributos incluyen un hábito unicelular y facilidad en el mantenimiento del cultivo y la manipulación experimental, una pared celular primaria con una red externa de pectina y otros polímeros distintos, facilidad en el marcaje de células vivas con mAbs dirigidos a la pared celular que se pueden seguir a tiempo para estudios posteriores de desarrollo y / o experimentales y la producción de grandes cantidades de EPS que se pueden monitorear en tiempo real utilizando perlas fluorescentes1, 2,3,6. Además, la mayoría de las técnicas de etiquetado proporcionan medios sencillos para las mediciones cuantitativas.
P. maragaritaceum es un organismo robusto que puede acomodar algunos cambios modestos en los protocolos descritos aquí. Sin embargo, es importante tener en cuenta que a) para inmunocitoquímica y manipulación experimental, utilizar células de cultivos que tengan menos de 21 días de antigüedad; b) cultivo a temperaturas no superiores a 28 °C; c) Mantener las diluciones de anticuerpos según lo prescrito. El marcaje fluorescente JIM5-TRITC durará varios días si las células se mantienen en la oscuridad. Las células marcadas con JIM7 deben obtenerse en un plazo de 24 horas. Para el marcaje de perlas fluorescentes, lo mejor es obtener imágenes de las células en 24 horas. Para experimentos específicos, especialmente aquellos que utilizan ensayos de microplacas, primero se deben probar varias concentraciones de agentes para encontrar el más activo. También es fundamental que se lleven a cabo experimentos de recuperación para asegurarse de que un agente no ha cambiado simplemente la viabilidad del cultivo celular.
Se pueden hacer fácilmente modificaciones simples a los protocolos descritos para que se ajusten a los objetivos del investigador. Hay muchos otros anticuerpos disponibles para estudiar la pared celular que aún no se han probado con P. margaritaceum. Para experimentos específicos, especialmente aquellos que utilizan el ensayo de microplacas, primero se deben probar varias concentraciones de agentes para encontrar el más activo. Las imágenes de microplaca de las células marcadas con los anticuerpos fluorescentes se pueden evaluar rápidamente mediante el cribado basado en microscopía de pocillos individuales. También es fundamental que se lleven a cabo experimentos de recuperación para asegurarse de que un agente no cambió la viabilidad del cultivo celular.
No se reporta ningún conflicto de interés.
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) (subvención MCB número 2129443 a 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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