Diese Arbeit wurde durch ein Promotionsstipendium an der Universität von Antwerpen nach VA unterstützt; ein Promotionsstipendium der flämischen Science Foundation (FWO, 11ZI916N) zu KS; Projektzuschüsse von der FWO (G0D0514N); eine konzertierte Forschungstätigkeit (GOA) Forschungsstipendium: &quot;Ein systembiologischer Ansatz der Blatt Morphogenese&quot; von der Forschungsgemeinschaft der Universität Antwerpen; und das Interuniversitäre Anziehungsschwerpunkte (IUAP VII / 29, MARS), &quot;Mais und Arabidopsis Wurzel und Sprosswachstum&quot; von der Föderale Wissenschaftspolitik (BELSPO) zu GTSB Han Asard, Bulelani L. Sizani und Hamada Abdelgawad alle zum Video beigetragen .

HINWEIS: Das folgende Protokoll für kinematische Analyse gilt nur für Blätter im stationären Zustand Wachstum. Dies impliziert eine stabile Blattdehnungsrate und räumlichen Muster der Zellenlänge und Expansion in einem Blatt während eines Zeitraums von mehreren Tagen 6. 1. Pflanzenwachstum und die Messungen der Blattdehnungsrate (LER) <ol><li> Wählen Sie ein Blatt im Steady-State-Wachstum und eine Entwicklungsphase von Interesse. HINWEIS: Es gibt einen Unterschied zwischen Steady-State-Wachstum und repetitive Wachstum, das auf aufeinanderfolgenden Blättern auf der gleichen Achse ähnliche räumliche Muster impliziert. Während der frühen Stadien der Sämlingwachstum wachsen sukzessive Blätter typischerweise immer schneller durch die zunehmende Größe der Wachstumszone 7. Obwohl einige höhere Blattpositionen ein ähnliches Wachstumsmuster 8 haben kann, ist dies eine Übergangsphase , die durch Behandlungen zu untersuch beeinträchtigt werden kann. Es ist daher wichtig zu vergleichen Linien und tr<html> eatments streng auf der gleichen Blattposition, auch wenn es zu einer anderen Zeit entwickeln kann. Selbst bei einer konstanten Dehnungsrate, ist die Wachstumsrate Profil nicht notwendigerweise gleich in verschiedenen Entwicklungsstadien. Daher ist es wichtig , Blätter an der gleichen Entwicklungsstufe 8 zu analysieren, in der Regel durch die Anzahl der Tage nach dem Auflaufen definiert. </li><li> Um eine vollständige kinematische Analyse des Blattwachstums in Monokotyledonen zuführen, wachsen mindestens 15 Pflanzen für jede Behandlung und Genotyp unter kontrollierten Bedingungen in einem Wachstumsraum. </li><li> Zu der Zeit , das Blatt von Interesse erscheint (Austritt aus dem Quirl der umliegenden Blätter), starten Sie die Länge der Blattmess täglich mit einem Lineal , bis das Blatt vollständig erweitert ist (Abbildung 1 i). Blattlänge bedeutet die Länge vom Bodenniveau bis zur Spitze des Blattes. Achten Sie darauf, das Blatt zu brechen oder beschädigt werden, da dies möglicherweise sein Wachstum zu verändern. </li></ol>re 1 &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 54887 / 54887fig1.jpg &quot;/&gt; Abb . 1: Schematische Darstellung einer kinematischen Analyse von Maisblättern Das Blatt von Interesse wird mit einem Lineal gemessen an drei aufeinanderfolgenden Tagen das Blatt Dehnungsrate (LER) zu berechnen. Danach wird das Blatt geerntet und drei Zentimeter Segment für die Bestimmung der Meristem-Größe verwendet. Dies wird durch Messen der Länge von der Basis bis zu dem distalsten mitotische Figur nach DAPI-Färbung durchgeführt. (A) Beispiele für proliferative Mitosen und (B) gestaltende Mitosen. Die ersten elf Zentimeter von der Blattunterseite auf der anderen Seite der Mitte Vene verwendet 1001 Zentimeter Segmente für die Zelllängenmessungen zu schneiden. Diese Messungen bilden die Grundlage für die Erstellung der Zellenlänge Profil, das die reife Zelllänge (l mat) und die Länge der Zellen , so dass die Meristem (l div) zu bestimmen dient. Das <em&gt; LER und l Matte verwendet , um die Zellproduktionsrate (P) zu berechnen, während l div und L mer verwendet , um die Anzahl der Zellen im Meristem (N - mer) zu berechnen. Wiederum P und N mer verwendet , um die durchschnittliche Zellenteilungsrate (D) zu berechnen, die die Umkehrung der Zellzyklusdauer (T c). Pfeile in der gleichen Farbe zeigen Parameter, die die Parameter folgende auf diese Pfeile werden verwendet, um zu berechnen. Maßstabsbalken = 40 um. Römische Zahlen werden verwendet , um bestimmte experimentelle Verfahren in der beschriebenen Protokoll zu beziehen. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54887/54887fig1large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54887/54887fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 2. Ernte <ol><li> In der Entwicklungsphase von Interesse (zB, am dritten Tag nach dem Schlüpfen), wählen Sie mindestens fünf Vertreter pMittelführerinnen aus dem Ansatz, auf dem die kinematische Analyse durchzuführen. Wodurch der Rest der Pflanzen messen, wie in Schritt 1.3 erläutert die endgültige Blattlänge zu bestimmen. </li><li> Schneiden Sie das oberirdische Teil der Pflanze. Damit die meristematic Teil intakt, schneiden Sie so nah wie möglich an die Wurzeln (Abbildung 1II). </li><li> Ausgehend von den äußeren Blättern, entfernen Sie alle Blätter auf dem Blatt von Interesse, indem sie sanft eins nach dem anderen Abrollen. Entfernen Sie ggf. ein paar zusätzliche Millimeter von der Basis, um die Blätter zu lösen. Entfernen Sie auch die Spitze und kleine Blätter durch die Blatt von Interesse (Abbildung 1III) eingeschlossen. </li><li> Schneiden Sie ein 3 cm-Segment, von der Basis auf einer Seite der mittleren Ader beginnen, und bewahren Sie sie in einem 1,5 ml-Röhrchen mit 3 gefüllt: 1 (v: v) absolutem Ethanol: Essigsäure-Lösung (ACHTUNG: Handschuhe tragen) bei 4 ° C für 24 Stunden bis zu mehreren Monaten (Abb 1IV). Dieses Segment wird später verwendet werden, um die Länge des Meristem zu bestimmen. </li><li> Von demandere Seite der Vene, ein 11 cm - Segment von der Basis (1 v) geschnitten und in einem 15 ml Röhrchen mit absolutem Ethanol bei 4 ° C für mindestens 6 h gefüllten Pigmente (1 vi) zu entfernen. HINWEIS: Später, wenn Sie nur die ersten 10 cm der Zellenlänge Profil (siehe Diskussion) zu bestimmen. </li><li> Erneuern Sie die absolute Ethanol für eine weitere Runde von mindestens 24 Stunden bei 4 ° C Reinigung (Abbildung 1vi). </li><li> Schließlich ersetzen die absolute Ethanol mit reinem Milchsäure (ACHTUNG: Handschuhe tragen) für die Reinigung und Lagerung bei 4 ° C für 24 Stunden oder bis zur weiteren Verwendung (Abbildung 1vi). </li></ol> 3. Meristem Längenmessungen <ol><li> Bereiten Sie eine Spülung Puffer, der 50 mM Natriumchlorid (NaCl), 5 mM Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA; ACHTUNG: Handschuhe tragen) und 10 mM Tris (hydroxymethyl) aminomethan-Salzsäure (TRIS-HCl, pH 7). </li><li> Nehmen Sie die 3 cm Segment aus dem Abschnitt 2.4 und soak es in dem Puffer für 20 min (Abbildung 1vii). </li><li> Während des Wartens, verwenden Sie den Spülpuffer ein 4 &#39;, 6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) Färbelösung von 1 ug / ml herzustellen, es auf Eis und im Dunkeln zu halten. </li><li> Stain die Kerne durch das meristem Segment für 2-5 min in der DAPI-Färbelösung platzieren. Die Arbeiten auf dem Eis und in der Dunkelheit (Abbildung 1vii). </li><li> Prüfen Sie, ob Fluoreszenzsignal durch schnell das Segment auf einem Mikroskopie Glasmontage und Abdecken mit einem Deckglas. Die epidermalen Zellen sollten Fluoreszenz zeigen, während die zugrunde liegenden Zellschichten sollten nicht. </li><li> Wenn die Färbung nicht ausreichend ist, legte das Segment wieder in den DAPI-Färbung Lösung für einige zusätzliche Minuten. </li><li> Um die Färbung zu stoppen, montieren Sie die Segmente in einem Tropfen Pufferspülung auf einer Mikroskopie Objektträger und Deck mit einem Deckglas. </li><li> Verwenden Sie ein Mikroskop mit UV-Fluoreszenz bei einer 20-facher Vergrößerung ausgestattet, so dass für die Visualisierung von rund 1.000 epidermal-Zellen auf einmal. Blättern Sie im gesamten Segment und sucht proliferative Mitosefiguren (Metaphase, Anaphase, Telophase und Zytokinese), aber vermeiden prägenden Zellteilung der Entwicklung Stomata (Abbildung 1viii) 9. Definieren Sie, wo die am weitesten distal gelegene Mitose befindet. </li><li> Bestimmen die Länge des Meristem durch den Abstand zwischen der Basis des Blattes gemessen wird und die distalste epidermal mitotische Figur. Verwenden Sie eine Bildanalyse - Software (zB ImageJ) über die volle Länge des Bildrahmens zu messen. <ol><li> Zählen Sie die Anzahl der Bilder , die die volle meristem Länge (von der Blattbasis zu dem am weitesten entfernten Mitose) und multiplizieren Sie diese Zahl durch die Länge eines Rahmens decken die gesamte meristem Länge (Abbildung 1ix) zu erhalten. </li></ol></li></ol> 4. Zell Länge Profil <ol><li> Nehmen Sie das Segment, das in Milchsäure (Schritt 2.5) und vorsichtig auf der Bank gespeichert. Schneiden Sie die Segmente Witzha Skalpell in 10 Segmente von 1 cm jeweils (Abbildung 1x). </li><li> Montieren der aufeinanderfolgenden Blattsegmente auf einem Mikroskopie Schieber in einem kleinen Tropfen Milchsäure. Stellen Sie sicher, konsequent auf einen Blick auf die adaxial oder abaxial Seite nach oben. Im Prinzip gibt es keine Präferenz für eine bestimmte Seite. </li><li> Verwenden Sie ein Mikroskop mit differentiellen Interferenzkontrast (DIC) Optik ausgestattet, um die Segmente zu analysieren, von der Blattbasis beginnen. Messung mit einer Bildanalysesoftware, die Länge von mindestens 20 replicate Epidermiszellen in Dateien unmittelbar neben der Stomata Dateien, um konsequent die gleichen Zelltyp auszuwählen. <ol><li> Tun Sie dies in gleich beabstandeten Positionen entlang jedes der Segmente (4 Positionen pro Segment ausreichend), und stellen Sie sicher , die entsprechende Position für jede Messung im gesamten Blatt (Abbildung 1 xi) zu notieren. </li></ol></li><li> Bestimmen Sie die mittlere Zellenlänge an jedem mm entlang der Blattachse durch eine lokale Polynom Glättung p mitERFAHREN, implementiert in einem R-Skript (Abbildung 1xii; Ergänzende Datei 1). HINWEIS: Die R-Skript stellt eine Reihe von Daten mit Glättung erhöht. Die erforderliche Menge der Glättung ist etwas willkürlich und sollte idealerweise nur das lokale Rauschen zu entfernen, aber nicht die gesamte Kurve beeinflussen. Sicherstellen, dass die gleiche Menge an Glättung für alle Proben in einem Experiment zu verwenden. </li><li> Der Mittelwert der Zellenlänge an jeder Position zwischen den Pflanzen und berechnen Sie die Standardfehler eine Zellenlänge Profil entlang der Blattachse zu schaffen. </li></ol> 5. Die Berechnung der kinematischen Parameter (siehe Zusatz Datei 2) <ol><li> Berechne die LER , indem die Änderung in der Blattlänge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten nehmen (beispielsweise 24 Stunden, wie in Schritt 1.3) , und es durch das Zeitintervall dividiert wird . </li><li> Berechnen der Länge der Wachstumszone (L gz) entsprechend der Position distal von der Basis , wo Zellen 95% ihrer reifen ce erreichenll Länge auf der Zelllängenprofil geglättet. <ol><li> Nehmen Sie für jede Position auf der geglättete Zellenlänge Profil 95% des Durchschnitts aller Zellenlängen nach dieser Position (Abbildung 2). </li><li> Vergleichen Sie die geglättete Zellenlängen (Schritt 4.4) mit der berechneten 95% Zelllänge in jeder Position. Ausgehend von der Basis des Blattes endet die Wachstumszone an der Position , wo die tatsächliche Zellenlänge entspricht 95% der folgenden Zelllängen (2; siehe Zusatz Data 2). </li></ol></li></ol><img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/54887/54887fig2.jpg" /> Abbildung 2:. Die Bestimmung des Endes der Wachstumszone Meristem: An der Stelle , mit einem roten Stern angegeben, ist die tatsächliche Zellengröße von weniger als 95% (rot gestrichelte Linie) der durchschnittlichen Zellgröße aller in dieser Position folgende Zellen (rot solide Linie). Das Ende der Wachstumszone (L gz, angegeben mit ablue Sterne) liegt dort, wo 95% (gestrichelte blaue Linie) der durchschnittliche Zellgröße aller Zellen im Anschluss an diese Position (durchgezogene blaue Linie) ist gleich der tatsächlichen Zellgröße. Abteilung Zone (D), Dehnungszone (E) und reifen Zone (M). Eine gestrichelte Pfeile , um die Konvergenz zwischen der lokalen Größe und 95% der mittleren Größe über den distalen Teil des Blattes zeigen , wenn sie von den basalen Positionen an der Spitze des Blattes bewegt. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54887/54887fig2large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54887/54887fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <ol start="3"><li> Berechnen der Länge der Dehnungszone (L EL) als die Differenz zwischen der Länge der Wachstumszone (L gz) und Meristem Größe (L mer; bestimmt in Schritt 3). </li><li> Berechnen Sie die reifen Zelllänge (l mat) als auch die durchschnittliche Zellenlänge in der reifen Zone. </li><li> Teilen Sie die LER von l Matte zu erhalten , dieZellproduktionsrate (P). </li><li> Berechnen der Anzahl von Zellen in der Dehnungszone (N el) als die Differenz zwischen N und N gz mer. Die Anzahl der Zellen in dem Meristem (N mer) gleich der Gesamtzahl der in den Intervallen zu Meristem entsprechenden befindlichen Zellen. Die Anzahl der Zellen in der Wachstumszone (N gz) gleich der Gesamtzahl der in den Intervallen zu der Wachstumszone entsprechenden befindlichen Zellen. </li><li> Berechnen Sie die durchschnittliche Zellteilungsrate (D) als P / N mer. Die Zellzyklusdauer (T c) ist gleich ln (2) / D. </li><li> Berechnen Sie die Zeit in der Dehnungszone (T el) durch Teilen N el durch P. Die Zeit , in der Teilungszone gleich log 2 (N - mer) * T c. Die Länge der Zellen Verlassen des meristem (l div)gleich der Zelle aus dem geglätteten Zellenlänge Profil am Ende der Meristem Länge. </li><li> Berechnen Sie die durchschnittliche Zellexpansionsrate (R el) unter Verwendung folgender Formel: ln (l Matte) -ln (l div)] / T el. </li></ol>

Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben.

Eine vollständige kinematische Analyse auf Maisblättern ermöglicht die Bestimmung der zellulären Basis des Blattwachstums und ermöglicht die Gestaltung effizienter Probenahmestrategien. Obwohl das Protokoll relativ einfach ist, ist eine gewisse Vorsicht in den folgenden kritischen Schritte empfohlen: (1) Es ist wichtig, die jüngeren, geschlossenen Blätter zu lösen (2.3 Schritt), ohne die meristem zu beschädigen, da meristem Längenbestimmung (Schritt 3) erfordert die vollständige meristem vorhanden sein. Einig...

Wachstumsanalyse hängt von einer Reihe von Werkzeugen, die von Pflanzenwissenschaftler häufig verwendet werden, Genotyp bestimmt Wachstumsunterschiede und / oder phänotypische Reaktionen auf Umweltfaktoren zu beschreiben. Dazu gehören Größe und Gewichtsmessungen der gesamten Anlage oder ein Organ und Berechnungen der Wachstumsraten, die zugrunde liegenden Mechanismen des Wachstums zu erkunden. Organwachstum wird durch Zellteilung und Expansion auf der zellulären Ebene bestimmt. Daher analysiert die Quantifizierung dieser beiden Prozesse in Wachstum einschließlich ist der Schlüssel zum Verständnis der Unterschiede in Vollorganwachstum 1. Folglich ist es wichtig, eine geeignete Methodik haben zellulären Wachstumsparameter zu bestimmen, der relativ leicht von nicht spezialisierten Labors zu verwenden. Kinematic Analyse wurde bereits als Ansatz etabliert 2 einen leistungsstarken Rahmen für die Entwicklung von Organwachstumsmodelle bieten. Die Technik wurde für lineare Systeme optimiert,wie Arabidopsis thaliana Wurzeln und monokotyle Blätter, sondern auch für nichtlineare Systeme, wie dikotyle Blätter 3. Heute wird diese Methode immer mehr, wie genetische Studie verwendet wird, hormonelle, entwicklungs und Umweltfaktoren beeinflussen die Zellteilung und die Expansion in verschiedenen Organen (Tabelle 1). Darüber hinaus bietet sie auch einen Rahmen zelluläre Prozesse auf die ihnen zugrunde liegenden biochemischen, molekularen und physiologischen Bestimmungen (Tabelle 2) zu verbinden, obwohl Einschränkungen können durch Organgröße und räumliche Organisation für Techniken , die höhere Mengen an Pflanzenmaterial erfordern auferlegt werden (zB Metaboliten Messungen, Proteomics, etc.). Monokotylen Blätter, wie beispielsweise Mais (Zea mays) Blatt-, für lineare Systeme , in denen Zellen von der Basis des Blattes gegen die Spitze zu bewegen, der Reihe nach durch die Meristem und Dehnungszone Leiten des reifen zu erreichenZone. Dies macht es zu einem idealen Modellsystem für quantitative Untersuchungen der räumlichen Muster des Wachstums 4. Darüber hinaus haben Maisblätter große Wachstumszonen (Meristem und Dehnungszone über mehrere Zentimeter 5) und in anderen Organisationsebenen Möglichkeiten für Studien. Dies ermöglicht die Untersuchung der (vermeintlichen) Regulationsmechanismen der Zellteilung steuern und Expansion, durch kinematische Analyse durch eine Reihe von molekularen Techniken quantifiziert, physiologische Messungen und Zellbiologie Ansätze (Tabelle 2). Hier stellen wir ein Protokoll für eine kinematische Analyse in monokotylen Blätter durchführt. Zuerst wird erklärt, wie eine richtige Analyse der sowohl die Zellteilung und Zell Dehnung als Funktion der Position längs der Blattachse zu leiten und wie kinematischen Parameter zu berechnen. Zweitens zeigen wir auch, wie diese als Grundlage für die Stichprobenplan verwendet werden können. Hier diskutieren wir zwei Fälle: hochauflösende Abtastung eind konzentriert Probenahme, verbesserte Dateninterpretation und die Einsparung von Zeit / Geld ermöglicht, respectively. Tabelle 1 Übersicht der kinematischen Analysen Methoden zur Quantifizierung der Zellteilung und Expansion in verschiedenen Organen. <table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> Organ </td><td> Referenz </td></tr><tr><td> monokotylen Blätter </td><td> 16, 20, 21, 22 </td></tr><tr><td> Wurzelspitzen </td><td> 2, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 </td></tr><tr><td> dikotylen Blätter </td><td> 21, 30, 31 </td></tr><tr><td> Sprossapikalmeristem </td><td> 32 </td></tr></tbody></table> Tabelle 1 Übersicht der kinematischen Analysen Methoden zur Quantifizierung der Zellteilung und Expansion in verschiedenen Organen. Tabelle 2 Zusammenhang zwischen zellulärer Prozesse quantifiziert durch die kinematische Analyse auf ihre Regulation auf molekularer Ebene. Verweise auf verschiedene Studien , die die Quantifizierung von zellulären Prozessen zu den Ergebnissen von biochemischen und molekularen Assays in verschiedenen Spezies und Organen. Xyloglucan endotransglucosylase (XET), Malondialdehyd (MDA), Cyclin-abhängigen Kinasen (CDK). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54887/54887table2large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54887/54887table2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Tabelle anzuzeigen.</a>

<table><tbody><tr><td>Pots</td><td>Any</td><td>Any</td><td>We use pots with the following measures, but can be different depending on the treatment/study: bottom diameter: 11 cm, opening diameter: 15 cm, height: 12 cm. We grow one maize plant per pot.</td></tr><tr><td>Planting substrate</td><td>Any</td><td>Any</td><td>We use potting medium (Jiffy, The Netherlands), but other substrates can be used, depending on treatment/study.</td></tr><tr><td>Ruler</td><td>Any</td><td>Any</td><td>An extension ruler that covers at least 1.5 meters is needed to measure the final leaf length of the plants.</td></tr><tr><td>Seeds</td><td>Any</td><td>NA</td><td>Seeds can be ordered from a breeder.</td></tr><tr><td>Scalpel</td><td>Any</td><td>Any</td><td>The scalpel is used during leaf harvesting to detach the leaf of interest from its surrounding leaves and right after harvesting to cut a proper sample for cell length and meristem length measurements.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>15 mL falcon tubes</td><td>Any</td><td>Any</td><td>The 15 mL falcon tubes are used for storing samples used for cell length measurements during sample clearing with absolute ethanol and lactic acid.</td></tr><tr><td>Eppendorf tubes</td><td>Any</td><td>Any</td><td>The eppendorf tubes are used for storing samples used for meristem length measurements in ethanol:acetic acid 3:1 (v:v) solution.</td></tr><tr><td>Gloves</td><td>Any</td><td>Any</td><td>Latex gloves, which protect against corrosive reagents.</td></tr><tr><td>Acetic acid</td><td>Any</td><td>Any</td><td>CAUTION: Corrosive to metals, category 1 Skin corrosion, categories 1A,1B,1C Serious eye damage, category 1; Flammable liquids, categories 1,2,3</td></tr><tr><td>Absolute ethanol</td><td>Any</td><td>Any</td><td>CAUTION: Hazardous in case of skin contact (irritant), of eye contact (irritant), of inhalation. Slightly hazardous in case of skin contact (permeator), of ingestion</td></tr><tr><td>Lactic acid&amp;nbsp;&gt;98%</td><td>Any</td><td>Any</td><td>CAUTION: Corrosive to metals, category 1 Skin corrosion, categories 1A,1B,1C Serious eye damage, category 1</td></tr><tr><td>Sodium chloride (NaCl)</td><td>Any</td><td>Any</td><td></td></tr><tr><td>Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA)</td><td>Any</td><td>Any</td><td>CAUTION: Acute toxicity (oral, dermal, inhalation), category 4 Skin irritation, category 2 Eye irritation, category 2 Skin sensitisation, category 1 Specific Target Organ Toxicity &amp;ndash; Single exposure, category 3</td></tr><tr><td>Tris(hydroxymethyl)aminomethane hydrochloride (Tris-HCl)</td><td>Any</td><td>Any</td><td>This material can be an irritant, contact with eyes and skin should be avoided. Inhalation of dust may be irritating to the respiratory tract.</td></tr><tr><td>4&amp;prime;,6-Diamidine-2&amp;prime;-phenylindole dihydrochloride (DAPI)</td><td>Any</td><td>Any</td><td>Cell permeable fluorescent minor groove-binding probe for DNA. Causes skin irritation. May cause an allergic skin reaction. May cause respiratory irritation.</td></tr><tr><td>Ice</td><td>Any</td><td>NA</td><td>The DAPI solution has to be kept on ice.</td></tr><tr><td>Fluorescent microscope</td><td>AxioScope A1, Axiocam ICm1 from Zeiss or other</td><td></td><td>Any fluorescent microscope can be used for determining meristem length.</td></tr><tr><td>Microscopic slide</td><td>Any</td><td>Any</td><td></td></tr><tr><td>Cover glass</td><td>Any</td><td>Any</td><td></td></tr><tr><td>Tweezers</td><td>Any</td><td>Any</td><td>Tweezers are needed for unfolding the rolled maize leaf right after harvesting in order to cut a proper sample for cell length and meristem length measurements.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Image-analysis software</td><td>Axiovision (Release 4.8) from Zeiss</td><td>NA</td><td>The software can be downloaded at: http://www.zeiss.com/microscopy/en_de/downloads/axiovision.html. Other softwares such as ImageJ (https://imagej.nih.gov/ij/) could be used as well.</td></tr><tr><td>Microscope equipped with DIC</td><td>AxioScope A1, Axiocam ICm1 from Zeiss or other</td><td></td><td>Any microscope, equipped with differential interference contrast (DIC) can be used to measure cell lengths.</td></tr><tr><td>R statistical analysis software</td><td>R Foundation for Statistical Computing</td><td>NA</td><td>Open source; Could be downloaded at https://www.r-project.org/</td></tr><tr><td>R script</td><td>NA</td><td>NA</td><td>We use the kernel smoothing function locpoly of the Kern Smooth package (Wand MP, Jones MC.&amp;nbsp; Kernel Smoothing: Chapman &amp;amp; Hall/CRC (1995)). The script is available for Mac and Windows upon inquiry with the corresponding author.</td></tr></tbody></table>

kinematic analysis of cell division and expansion: quantifying the cellular basis of growth and sampling developmental zones in zea mays leaves

Growth analyses are often used in plant science to investigate contrasting genotypes and the effect of environmental conditions. The cellular aspect of these analyses is of crucial importance, because growth is driven by cell division and cell elongation. Kinematic analysis represents a methodology to quantify these two processes. Moreover, this technique is easy to use in non-specialized laboratories. Here, we present a protocol for performing a kinematic analysis in monocotyledonous maize (Zea mays) leaves. Two aspects are presented: (1) the quantification of cell division and expansion parameters, and (2) the determination of the location of the developmental zones. This could serve as a basis for sampling design and/or could be useful for data interpretation of biochemical and molecular measurements with high spatial resolution in the leaf growth zone. The growth zone of maize leaves is harvested during steady-state growth. Individual leaves are used for meristem length determination using a DAPI stain and cell-length profiles using DIC microscopy. The protocol is suited for emerged monocotyledonous leaves harvested during steady-state growth, with growth zones spanning at least several centimeters. To improve the understanding of plant growth regulation, data on growth and molecular studies must be combined. Therefore, an important advantage of kinematic analysis is the possibility to correlate changes at the molecular level to well-defined stages of cellular development. Furthermore, it allows for a more focused sampling of specified developmental stages, which is useful in case of limited budget or time.

Hier zeigen wir einen Vergleich zwischen gut bewässerten Pflanzen (Kontrolle, 54% Wassergehalt des Bodens, (SWC)) und Pflanzen ausgesetzt Dürre Stressbedingungen (Dürre, 34% SWC) in Bezug auf ihre Blattwachstum. Alle Pflanzen wurden in einer Wachstumskammer unter kontrollierten Bedingungen (16 Stunden Tag / 8 h Nacht, 25 ° C / 18 ° C Tag / Nacht, 300-400 &amp; mgr; Em gewachsen -2 s -1 photosynthetisch aktive Strahlung (PAR). Die Trockenheit bis die richtige SW...

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Kinematic Analysis of Cell Division and Expansion: Quantifying the Cellular Basis of Growth and Sampling Developmental Zones in Zea mays Leaves

Quantifying cell division and expansion is of crucial importance to the understanding of whole-plant growth. Here, we present a protocol to calculate cellular parameters determining maize leaf growth rates and highlight the use of these data for investigating molecular growth regulatory mechanisms by directing developmental stage-specific sampling strategies.

Kinematische Analyse der Zellteilung und Expansion: Die Quantifizierung der zellulären Grundlagen der Wachstums- und Sampling Entwicklungszonen in<em&gt; Zea Mays</em&gt; Blätter

Growth analyses are often used in plant science to investigate contrasting genotypes and the effect of environmental conditions. The cellular aspect of ...

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Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Biology

Kinematic Analysis of Cell Division and Expansion: Quantifying the Cellular Basis of Growth and Sampling Developmental Zones in Zea mays Leaves

10.8K Aufrufe.  University of Antwerp. Quantifying cell division and expansion is of crucial importance to the understanding of whole-plant growth. Here, we present a protocol to calculate cellular parameters determining maize leaf growth rates and highlight the use of these data for investigating molecular growth regulatory mechanisms by directing developmental stage-specific sampling strategies. 

Serie: Kinematic Analysis of Cell Division and Expansion: Quantifying the Cellular Basis of Growth and Sampling Developmental Zones in Zea mays Leaves

Experimental Design for Laser Microdissection RNA-Seq: Lessons from an Analysis of Maize Leaf Development

Genes with important roles in development frequently have spatially and/or temporally restricted expression patterns. Often these gene transcripts are not detected or are not identified as differentially expressed (DE) in transcriptomic analyses of whole plant organs. Laser Microdissection RNA-Seq (LM RNA-Seq) is a powerful tool to identify genes that are DE in specific developmental domains. However, the choice of cellular domains to microdissect and compare, and the accuracy of the microdissections are crucial to the success of the experiments. Here, two examples illustrate design considerations for transcriptomics experiments; a LM RNA-seq analysis to identify genes that are DE along the maize leaf proximal-distal axis, and a second experiment to identify genes that are DE in liguleless1-R (lg1-R) mutants compared to wild-type. Key elements that contributed to the success of these experiments were detailed histological and in situ hybridization analyses of the region to be analyzed, selection of leaf primordia at equivalent developmental stages, the use of morphological landmarks to select regions for microdissection, and microdissection of precisely measured domains. This paper provides a detailed protocol for the analysis of developmental domains by LM RNA-Seq. The data presented here illustrate how the region selected for microdissection will affect the results obtained.

Many developmentally important genes have cell- or tissue-specific expression patterns. This paper describes LM RNA-seq experiments to identify genes that are differentially expressed at the maize leaf blade-sheath boundary and in lg1-R mutants compared to wild-type. The experimental considerations discussed here apply to transcriptomic analyses of other developmental phenomena.

Experimentelles Design für Laser Mikrodissektion RNA-Seq: Lehren aus einer Analyse von Maisblattentwicklung

Genes with important roles in development frequently have spatially and/or temporally restricted expression patterns. Often these gene transcripts are not ...

Forschung

Biochemie

Observing Mitotic Division and Dynamics in a Live Zebrafish Embryo

Mitosis is critical for organismal growth and differentiation. The process is highly dynamic and requires ordered events to accomplish proper chromatin condensation, microtubule-kinetochore attachment, chromosome segregation, and cytokinesis in a small time frame. Errors in the delicate process can result in human disease, including birth defects and cancer. Traditional approaches investigating human mitotic disease states often rely on cell culture systems, which lack the natural physiology and developmental/tissue-specific context advantageous when studying human disease. This protocol overcomes many obstacles by providing a way to visualize, with high resolution, chromosome dynamics in a vertebrate system, the zebrafish. This protocol will detail an approach that can be used to obtain dynamic images of dividing cells, which include: in vitro transcription, zebrafish breeding/collecting, embryo embedding, and time-lapse imaging. Optimization and modifications of this protocol are also explored. Using H2A.F/Z-EGFP (labels chromatin) and mCherry-CAAX (labels cell membrane) mRNA-injected embryos, mitosis in AB wild-type, auroraBhi1045, and esco2hi2865 mutant zebrafish is visualized. High resolution live imaging in zebrafish allows one to observe multiple mitoses to statistically quantify mitotic defects and timing of mitotic progression. In addition, observation of qualitative aspects that define improper mitotic processes (i.e., congression defects, missegregation of chromosomes, etc.) and improper chromosomal outcomes (i.e., aneuploidy, polyploidy, micronuclei, etc.) are observed. This assay can be applied to the observation of tissue differentiation/development and is amenable to the use of mutant zebrafish and pharmacological agents. Visualization of how defects in mitosis lead to cancer and developmental disorders will greatly enhance understanding of the pathogenesis of disease.

Mitosis is critical to every living organism and defects often lead to cancer and developmental disorders. Using this imaging protocol and zebrafish as a model system, researchers can visualize mitosis in a live vertebrate organism and the multitude of defects that arise when mitotic processes are defective.

Beobachten Mitose und Dynamik in einer Live Zebrafischembryo

Mitosis is critical for organismal growth and differentiation. The process is highly dynamic and requires ordered events to accomplish proper chromatin ...

Entwicklungsbiologie

Confocal Live Imaging of Shoot Apical Meristems from Different Plant Species

The shoot apical meristem (SAM) functions as a conserved stem cell reservoir and it generates almost all aboveground tissues during the postembryonic development. The activity and morphology of SAMs determine important agronomic traits, such as shoot architecture, size and number of reproductive organs, and most importantly, grain yield. Here, we provide a detailed protocol for analyzing both the surface morphology and the internal cellular structure of the living SAMs from different species through laser scanning confocal microscope. The whole procedure from the sample preparation to the acquisition of high resolution three-dimensional (3D) images can be accomplished within as short as 20 minutes. We demonstrate that this protocol is highly efficient for studying not only the inflorescence SAMs of the model species but also the vegetative meristems from different crops, providing a simple but powerful tool to study the organization and development of meristems across different plant species.

This protocol presents how to live image and analyze the shoot apical meristems from different plant species using laser scanning confocal microscopy.

Konfokale Live Imaging von Shoot Sprossapikalmeristem Meristeme aus verschiedenen Pflanzenarten

The shoot apical meristem (SAM) functions as a conserved stem cell reservoir and it generates almost all aboveground tissues during the postembryonic ...

Use of Atomic Force Microscopy to Measure Mechanical Properties and Turgor Pressure of Plant Cells and Plant Tissues

We present here the use of atomic force microscopy to indent plant tissues and recover its mechanical properties. Using two different microscopes in indentation mode, we show how to measure an elastic modulus and use it to evaluate cell wall mechanical properties. In addition, we also explain how to evaluate turgor pressure. The main advantages of atomic force microscopy are that it is non-invasive, relatively rapid (5~20 min), and that virtually any type of living plant tissue that is superficially flat can be analyzed without the need for treatment. The resolution can be very good, depending on the tip size and on the number of measurements per unit area. One limitation of this method is that it only gives direct access to the superficial cell layer.

Here, we present atomic force microscopy (AFM), operated as a nano- and micro-indentation tool on cells and tissues. The instrument allows the simultaneous acquisition of 3D surface topography of the sample and its mechanical properties, including cell wall Young's modulus as well as turgor pressure.

Einsatz der Atomkraftmikroskopie zur Messung mechanischer Eigenschaften und Turgordruck von Pflanzenzellen und Pflanzengeweben

We present here the use of atomic force microscopy to indent plant tissues and recover its mechanical properties. Using two different microscopes in ...

Live Cell Imaging of Microtubule Cytoskeleton and Micromechanical Manipulation of the Arabidopsis Shoot Apical Meristem

Understanding cell and tissue level regulation of growth and morphogenesis has been at the forefront of biological research for many decades. Advances in molecular and imaging technologies allowed us to gain insights into how biochemical signals influence morphogenetic events. However, it is increasingly evident that apart from biochemical signals, mechanical cues also impact several aspects of cell and tissue growth. The Arabidopsis shoot apical meristem (SAM) is a dome-shaped structure responsible for the generation of all aboveground organs. The organization of the cortical microtubule cytoskeleton that mediates apoplastic cellulose deposition in plant cells is spatially distinct. Visualization and quantitative assessment of patterns of cortical microtubules are necessary for understanding the biophysical nature of cells at the SAM, as cellulose is the stiffest component of the plant cell wall. The stereotypical form of cortical microtubule organization is also a consequence of tissue-wide physical forces existing at the SAM. Perturbation of these physical forces and subsequent monitoring of cortical microtubule organization allows for the identification of candidate proteins involved in mediating mechano-perception and transduction. Here we describe a protocol that helps investigate such processes.

Live Cell Imaging of Microtubule Cytoskeleton and Micromechanical Manipulation of the Arabidopsis Shoot Apical Meristem

Here we describe a protocol for live cell imaging of the cortical microtubule cytoskeleton at the shoot apical meristem and monitoring its response to changes in physical forces.

Live Cell Imaging von Microtubule Cytoskeleton und mikromechanische Manipulation der Arabidopsis Schießen apical Meristem

Understanding cell and tissue level regulation of growth and morphogenesis has been at the forefront of biological research for many decades. Advances in ...

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

In vivo, tip-growing plant cells need to overcome a series of physical barriers; however, researchers lack the methodology to visualize cellular behavior in such restrictive conditions. To address this issue, we have developed growth chambers for tip-growing plant cells that contain a series of narrow, micro-fabricated gaps (~1 &#181;m) in a poly-dimethylsiloxane (PDMS) substrate. This transparent material allows the user to monitor tip elongation processes in individual cells during microgap penetration by time-lapse imaging. Using this experimental platform, we observed morphological changes in pollen tubes as they penetrated the microgap. We captured the dynamic changes in the shape of a fluorescently labeled vegetative nucleus and sperm cells in a pollen tube during this process. Furthermore, we demonstrated the capability of root hairs and moss protonemata to penetrate the 1 &#181;m gap. This in vitro platform can be used to study how individual cells respond to physically constrained spaces and may provide insights into tip-growth mechanisms.

We describe a method to investigate the capability of tip-growing plant cells, including pollen tubes, root hairs, and moss protonemata, to elongate through extremely narrow gaps (~1 &#181;m) in a microfluidic device.

Entwicklung von mikrofluidischen Geräten um die Dehnung Fähigkeit der Spitze wachsenden Pflanzenzellen in sehr kleinen Räumen zu studieren

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

Biotechnik

Long-term, High-resolution Confocal Time Lapse Imaging of Arabidopsis Cotyledon Epidermis during Germination

Imaging in vivo dynamics of cellular behavior throughout a developmental sequence can be a powerful technique for understanding the mechanics of tissue patterning. During animal development, key cell proliferation and patterning events occur very quickly. For instance, in Caenorhabditis elegans all cell divisions required for the larval body plan are completed within six hours after fertilization, with seven mitotic cycles1; the sixteen or more mitoses of Drosophila embryogenesis occur in less than 24 hr2. In contrast, cell divisions during plant development are slow, typically on the order of a day 3,4,5 . This imposes a unique challenge and a need for long-term live imaging for documenting dynamic behaviors of cell division and differentiation events during plant organogenesis. Arabidopsis epidermis is an excellent model system for investigating signaling, cell fate, and development in plants. In the cotyledon, this tissue consists of air- and water-resistant pavement cells interspersed with evenly distributed stomata, valves that open and close to control gas exchange and water loss. Proper spacing of these stomata is critical to their function, and their development follows a sequence of asymmetric division and cell differentiation steps to produce the organized epidermis (Fig. 1).
This protocol allows observation of cells and proteins in the epidermis over several days of development. This time frame enables precise documentation of stem-cell divisions and differentiation of epidermal cells, including stomata and epidermal pavement cells. Fluorescent proteins can be fused to proteins of interest to assess their dynamics during cell division and differentiation processes. This technique allows us to understand the localization of a novel protein, POLAR6, during the proliferation stage of stomatal-lineage cells in the Arabidopsis cotyledon epidermis, where it is expressed in cells preceding asymmetric division events and moves to a characteristic area of the cell cortex shortly before division occurs. Images can be registered and streamlined video easily produced using public domain software to visualize dynamic protein localization and cell types as they change over time.

Long-term, High-resolution Confocal Time Lapse Imaging of Arabidopsis Cotyledon Epidermis during Germination

We describe a protocol using chamber slides and media to immobilize plant cotyledons for confocal imaging of the epidermis over several days of development, documenting stomatal differentiation. Fluorophore-tagged proteins can be tracked dynamically by expression and subcellular localization, increasing understanding of their possible roles during cell division and cell-type differentiation.

Langfristige, High-Resolution Konfokale Zeitraffer Bildgebung<em&gt; Arabidopsis Cotyledon</em&gt; Epidermis während der Keimung

Imaging in vivo dynamics of cellular behavior throughout a developmental sequence can be a powerful technique for understanding the mechanics of tissue ...

Biologie

AFM-based Mapping of the Elastic Properties of Cell Walls: at Tissue, Cellular, and Subcellular Resolutions

We describe a recently developed method to measure mechanical properties of the surfaces of plant tissues using atomic force microscopy (AFM) micro/nano-indentations, for a JPK&#160;AFM. Specifically, in this protocol we measure the apparent Young&#8217;s modulus of cell walls at subcellular resolutions across regions of up to 100 &#181;m&#160;x 100 &#181;m in floral meristems, hypocotyls, and roots. This requires careful preparation of the sample, the correct selection of micro-indenters and indentation depths. To account for cell wall properties only, measurements are performed in highly concentrated solutions of mannitol in order to plasmolyze the cells and thus remove the contribution of cell turgor pressure.
In contrast to other extant techniques, by using different indenters and indentation depths, this method allows simultaneous multiscale measurements, i.e. at subcellular resolutions and across hundreds of cells comprising a tissue. This means that it is now possible&#160;to spatially-temporally characterize the changes that take place in the mechanical properties of cell walls during development, enabling these changes to be correlated with growth and differentiation. This represents a key step to understand how coordinated microscopic cellular changes bring about macroscopic morphogenetic events.
However, several limitations remain: the method can only be used on fairly small samples (around 100 &#181;m in diameter) and only on external tissues; the method is sensitive to tissue topography; it measures only certain aspects of the tissue&#8217;s complex mechanical properties. The technique is being developed rapidly and it is likely that most of these limitations will be resolved in the near future.

We describe a method to map mechanical properties of plant tissues using an atomic force microscope (AFM). We focus on how to record mechanical changes that take place in cell walls during plant development at wide-field mesoscale, enabling these changes to be correlated with growth and morphogenesis.

AFM-basierte Mapping der elastischen Eigenschaften der Zellwände: auf der Tissue-, Handy-und subzellulärer Beschlüsse

We describe a recently developed method to measure mechanical properties of the surfaces of plant tissues using atomic force microscopy (AFM) ...

Real-time Imaging of Plant Cell Surface Dynamics with Variable-angle Epifluorescence Microscopy

A plant&#8217;s cell surface is its interface for perceiving environmental cues; it responds with cell biological changes such as membrane trafficking and cytoskeletal rearrangement. Real-time and high-resolution image analysis of such intracellular events will increase the understanding of plant cell biology at the molecular level. Variable angle epifluorescence microscopy (VAEM) is an emerging technique that provides high-quality, time-lapse images of fluorescently-labeled proteins on the plant cell surface. In this article, practical procedures are described for VAEM specimen preparation, adjustment of the VAEM optical system, movie capturing and image analysis. As an example of VAEM observation, representative results are presented on the dynamics of PATROL1. This is a protein essential for stomatal movement, thought to be involved in proton pump delivery to plasma membranes in the stomatal complex of Arabidopsis thaliana. VAEM real-time observation of guard cells and subsidiary cells in A. thaliana cotyledons showed that fluorescently-tagged PATROL1 appeared as dot-like structures on plasma membranes for several seconds and then disappeared. Kymograph analysis of VAEM movie data determined the time distribution of the presence (termed &#8216;residence time&#8217;) of the dot-like structures. The use of VAEM is discussed in the context of this example.

The goal of this protocol is to demonstrate how to monitor fluorescently-tagged protein dynamics on plant cell surfaces with variable-angle epifluorescence microscopy, showing blinking dots of GFP-tagged PATROL1, a membrane trafficking protein, in the cell cortex of the stomatal complex in Arabidopsis thaliana.

Echtzeit-Imaging von Plant Cell Oberflächen Dynamics mit variabler Winkel Epifluoreszenzmikroskopie

A plant&#8217;s cell surface is its interface for perceiving environmental cues; it responds with cell biological changes such as membrane trafficking and ...

Quantitative Analysis of Cell Edge Dynamics during Cell Spreading

Cell spreading is a dynamic process in which a cell suspended in media attaches to a substrate and flattens itself from a rounded to a thin and spread-out shape. Following the cell-substrate attachment, the cell forms a thin sheet of lamellipodia emanating from the cell body. In the lamellipodia, globular actin (G-actin) monomers polymerize into a dense filamentous actin (F-actin) meshwork that pushes against the plasma membrane, thereby providing the mechanical forces required for the cell to spread. Notably, the molecular players that control the actin polymerization in lamellipodia are essential for many other cellular processes, such as cell migration and endocytosis. 
Since spreading cells form continuous lamellipodia that span the entire cell periphery and persistently expand outward, cell spreading assays have become an efficient tool to assess the kinetics of lamellipodial protrusions. Although several technical implementations of the cell spreading assay have been developed, a detailed description of the workflow, which would include both a step-by-step protocol and computational tools for data analysis, is currently lacking. Here, we describe the experimental procedures of the cell spreading assay and present an open-source tool for quantitative and unbiased analysis of cell edge dynamics during spreading. When combined with pharmacological manipulations and/or gene-silencing techniques, this protocol is amenable to a large-scale screen of molecular players regulating lamellipodial protrusions.

In this protocol, we present the experimental procedures of a cell spreading assay that is based on live-cell microscopy. We provide an open-source computational tool for the unbiased segmentation of fluorescently labeled cells and quantitative analysis of lamellipodia dynamics during cell spreading.

Quantitative Analyse der Zellkantendynamik während der Zellstreuung

Cell spreading is a dynamic process in which a cell suspended in media attaches to a substrate and flattens itself from a rounded to a thin and spread-out ...

Kinematische Analyse der Zellteilung und Expansion: Die Quantifizierung der zellulären Grundlagen der Wachstums- und Sampling Entwicklungszonen in

Zusammenfassung

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