신선한 애기장대 잎의 전분 함량에 대한 비파괴 일주기 프로파일링

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16525(2022) 이 기사 인용

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식물 엽록체는 광합성을 통해 태양 에너지를 낮 동안 세포 생활과 성장에 필수적인 탄소원인 당으로 전환합니다. 광합성 산물의 일부는 밤 동안 탄소 에너지를 계속 공급하기 위해 전분 과립을 형성하여 엽록체에 저장됩니다. 현재 전분 시간 패턴을 프로파일링하려면 (i) 잎을 희생시키거나 (ii) 유전자 변형 과립 결합 전분 합성 효소(GBSS)를 통합하여 신진대사를 변경할 위험이 있는 형질전환 식물을 생성해야 합니다. 이 논문에서는 낮과 밤 주기에 걸쳐 신선한 온전한 잎의 엽록체 내의 전분 과립을 정량화하기 위해 2광자 형광(TPF)과 2차 고조파 생성(SHG) 이미징을 사용하는 비파괴적인 방법을 시연했습니다. 우리는 정상 및 과잉 전분 함량을 갖는 두 개의 애기장대 계통, 즉 야생형(Columbia-0)과 전분 과잉 1(sex1)을 사용하여 그렇게 했습니다. 전분 과립은 SHG 이미징으로 시각화되었으며, 엽육 세포의 엽록체는 TPF 이미징으로 시각화되었습니다. 우리의 결과는 잎 내 전분 분포의 미크론 규모 공간 분해능을 제공했으며 이전 연구에서 효소 분석에 의해 프로파일링된 것과 일치하는 전분 일주기 패턴을 보여주었습니다. 우리는 TPF-SHG 이미징이 파괴적인 샘플 준비 없이 잎 세포에서 전분 일주기 리듬의 실시간 이질성을 드러내는 잠재적인 도구임을 입증했습니다.

전분은 고등 식물에서 탄수화물의 주요 저장고입니다1. 식물에서 전분이 생산되는 주요 장소는 두 곳입니다. 하나는 광합성이 일어나는 잎에 있습니다. 다른 하나는 줄기와 뿌리 같은 저장 기관에 있습니다. 저장 기관의 전분은 지속적으로 축적되며 성장에 필요할 때까지 분해되지 않습니다. 그러나 잎의 전분에는 일별 변화가 있습니다. 낮 동안 광합성은 엽록체에 축적된 후 전분 과립을 형성하는 전분을 생성합니다2,3. 밤에 광합성이 중단되면 세포 생존과 성장에 필요한 에너지는 낮 동안 잎에 저장된 전분의 분해를 통해 제공됩니다4,5,6. 즉각적인 전분 변화를 모니터링하는 능력은 전분 대사와 관련된 메커니즘을 추적하는 데 중요합니다.

전분 정량화에 일반적으로 사용되는 방법에는 효소 방법7,8, 전분-요오드 염색 및 유전자 변형이 포함됩니다. 효소적 방법은 효소로 전분을 추출 및 분해하며 전분에 저장된 포도당 잔류물의 총량을 정량화하는 데 사용할 수 있습니다9. 요오드염색법은 요오드를 이용하여 잎에서 전분을 추출하지 않고 전분을 염색하는 방법이다. 그러나 얼룩진 전분을 명확하게 관찰하려면 당과 엽록소를 알코올로 녹여 제거해야 합니다. 이 방법을 사용하면 조직 내 전분 위치와 분포를 확인할 수 있지만 엽록소를 용해하고 요오드 용액으로 염색해야 하기 때문에 준비 과정에서 잎이 파괴됩니다. 전분을 결정하는 또 다른 방법은 관심 대상 유전자를 포함하는 구조물을 복제한 다음 게놈에 무작위로 통합된 구조물을 운반하는 형질전환 식물을 얻는 것입니다. 전분 대사에 참여하는 효소를 사용하고 이를 형광 단백질과 융합시키면 형광 이미징을 통해 전분을 관찰할 수 있는 형질전환 식물이 탄생합니다10,11. 정량적 전분 분석을 위해 형광 단백질 이미징을 활용해도 형질전환 식물을 파괴하지는 않지만 형질전환 식물을 만드는 것은 복잡하고 시간이 많이 걸리며 관심 있는 각 생태형에 대해 수행해야 합니다. 식물에서 전분을 정량화하는 데 사용된 또 다른 비파괴 방법은 microCT 이미징으로, 이는 목본 줄기의 광선 및 축 실질(RAP)에 특별히 적용되었습니다. 이 마지막 방법은 전분과의 고유한 대비를 제공하지 않기 때문에 이미지 분석에서 RAP 세포의 모양과 크기를 사용하며 일반적으로 전분 측정에 쉽게 적용할 수 없습니다.