AUKTIONSKATALOG - Societas Heraldica Scandinavica
Transcription
AUKTIONSKATALOG - Societas Heraldica Scandinavica
Stivelsesmetabolisme i blade fra gåsemad Arabidopsis thaliana analyseret ved iodid komplexering af stivelse i mutanter Ved Lektor Andreas Blennow Institut for Plantebiologi og Bioteknologi, Det Biovidenskabelige Fakultet, Københavns Universitet Formål Formålet med denne øvelse er at analysere stivelsen i bladet på gåsemad, Arabidopsis thaliana, med klassisk iodid kompleksering. I skal med iodfarvning undersøge hvor meget stivelse der er i blade som en effekt af specifikke mutationer i stivelsesbiosyntesen og i stivelsesnedbrydningen samt som en effekt af dyrkning i lys (dag) og i mørke (nat). de respektive stivelsen har. Det gøres ved at først fjerne alle pigmenter fra bladet ved ekstraktion med varm ætanol og derefter inkubere det farveløse blad i en sur kaliumiodidopløsning, der kan angive (1) den relative mængde af stivelse, (2) i nogle tilfælde hvilken type af stivelses-struktur, der er dominerende i bladet. I vil også inspicere stivelseskorn fra kartoffelknolde (kartoffelmel) samt majskerner (maizena) ved lysmikroskopi. Lidt om stivelse Stivelse er et polysakkarid, der fortrinsvis består af lange kæder af glukose bundet sammen af -1,4 forbindelser og nogle få -1,6 forbindelser som laver forgreningspunkter i molekylet. Stivelsesmolekyler er blandt naturens største molekyler, og et enkelt molekyle kan indeholde flere millioner glukoseenheder. De lange glukosekæder kan være mere eller mindre forgrenede. Stivelsesmolekyler med få eller 1 ingen forgreninger kaldes amylose, mens forgrenede molekyler kaldes amylopektin. I planter lagres stivelsen i stivelseskorn, hvor glukosekæderne er mere eller mindre tæt pakket. Amylopektin kan danne dobbelthelixer, som ordner sig i koncentriske krystallinske lag i stivelseskornene, og amylose lægger sig ind imellem de krystallinske amylopektinlag. I de fleste plantearter indeholder stivelsen fosfat, som sidder bundet til glukosen. Kartoffelstivelse indeholder meget fosfat, mens majsstivelse er næsten helt fri for fosfat. Stivelse, som indeholder meget fosfat, er ikke pakket så tæt som stivelse uden fosfat. I blade oplagres stivelse under dagen for at bruges som energi om natten for plantens respiration. Der findes mange mutanter som påvirker stivelsesmetabolismen og nogle af disse mutanter påvirker også plantens vækst, især når der ikke er stivelse eller nedbrydelig stivelse tilstede under natten. For mere information om stivelsesmetabolisme se Andreas Blennow, Inga C. Bach (2009) samt Zeeman et al., (2007). Arabidopsis thaliana (gåsemad) mutanter i stivelses-syntese og nedbrydning: Hvordan laver man mutanter af planter? I skal arbejde med tre forskellige plante linier af Arabidopsis thaliana, Columbia vildtype (Col-0) og mutanterne pgm1 der er muteret i stivelses-syntesen og gwd1 der er muteret i stivelses-nedbrydningen. pgm1forefindes i databasen TAIR her: http://www.arabidopsis.org/servlets/TairObject?id=115296&type=polyallele gwd1 mutanten heder også sex1 (for Starch EXces) og forefindes i databasen TAIR her: http://www.arabidopsis.org/servlets/TairObject?id=115376&type=polyallele Se den skematiske metabolisme over stivelsessyntesen og stivelsesnedbrydningen neden for. Arabidopsisplanterne vil altså være enten vildtype eller mutanter og I får her at vide hvilket enzym, der er nedreguleret i den pågældende plante. Mutanterne er skabt ved kemisk mutagenese ved at bruge etyl metan sulfonat, EMS (Figur 1,2). Etylgruppen i EMS reagerer med basen guanine i DNA og generer en anormal base O-6-etylguanin som parer sig med tymin i stedet for cytosin hvilket resulterer i A:T i stedet for G:C base par. De specifikke Arabidopsis mutanter vi vil bruge er fundet ved screening efter vækst og stivelsesoplagringsfænotype efter mutationer i et specifikt gen. I skal undersøge om de stivelsesmængder I finder i bladene dyrket i lys og i mørke analyseret 2 ved jodkompleksering, stemmer overens med de oplysninger I har fået om de gener, de respektive mutanter er muteret i. Der er også andre muligheder for at lave mutagenese ved f eks røntgen bestrålning. Denne teknik generere dog meget mere alvorlige ændringer i DNAet end EMS. Figur 1. Mutagenen Etyl Metan Sulfonat, EMS Figur 2. Skematisk EMS behandling af Arabidopsis frø og selektering af mutanter. Fra: Damian R. Page & Ueli Grossniklaus (2001) The art and design of genetic screens: Arabidopsis thaliana, Nature Reviews Genetics 3, 124-136 Brug af jod kompleksering vad analyse af stivelse direkte i blade. Lidt historie: Allerede i 1814 opdagede de to forskere, Colin og Gaultier de Claubry, at jod kan binde sig til stivelse og skifte farve. Disse forskere noterede: ”The color is magnificent blue if the two substances are in the right proportion”. “The two substances” var selvfølgelig stivelse og jod. Colin var ikke specielt interesseret i stivelse, men derimod i jod og forebyggelse af struma - en meget udbredt sygdom, som skyldtes jodmangel. Det er nu almindeligt at tilsætte jod til køkkensalt. Farvereaktionen, 3 som skyldes kompleksbinding (Figur3), opstår selv ved meget lav koncentration af jod, og ved hjælp af stivelse kunne Colin identificere fødevarer som indeholder jod. For rå stivelseskorn kan farveintensiteten ikke bruges til at estimere mængden / koncentrationen af stivelse i materialet, fordi jodmolekylerne ikke effektivt kan komme ind til det tæt pakkede stivelseskorn. Men stivelseskorn bliver alligevel farvet af jod. Ved at gelatinisere stivelsen bliver stivelseskæderne meget mere tilgængelige, og kan binde store mængder jod. Den farve man får er afhængig stivelsens kædelængde og man får de følgende farver: Substrat Farve Amylose Mørkt blåt Amylopektin Rød/orange Hydrolyseret stivelse Glykogen (korte forgreninger) Ingen farve Brunt Korte kæder orange/gulligt, jo længere kæder jo mere orange mod det røde. Figur 3. Trijodid kompleks med amylose. 4 Øvelsen. 1. Hver gruppe får udleveret planter af gåsemad (Arabidopsis thaliana): Plantelinier: 1. Vildtype (økotype Columbia) 2. gwd1 (EMS mutant, Columbia) 3. pgm1 (EMS mutant, Columbia) Planterne er lavet ved at så frø ud på jord i potter og de kan høstes efter cirka 5-6 uger. Så ikke alt for tæt. Efter en uge kan man sagtens flytte planter til ny jord hvis de vokser for tæt. Halvdelen af planterne dækkes med metalfolie et døgn før øvelsen starter. Disse planter har derfor oplevet en lang nat. Den anden halvdel af planterne skal have stået lyst i hvert fald et antal timer før høst. 2. Tag et godt kig på plantelinierne sammen til brug for senere at kunne beskrive deres morfologi (størrelse, udseende osv.) og sætte det i relation til data. Vi tager fotos af planternes opstilling. Lugol stamopløsning: 2,6 % I2 26% KI Brugsopløsning (laves frisk) Fortynde stam x 100 med 100 mM HCl Fjernelse af pigmenter (deriblandt klorofyl) fra bladvæv 1. Put ca. 10 ml 80% EtOH i 15 ml plastikrør med ”løst” låg (ikke skruelåg). Brug to rør pr. plantelinie, ét til dem der har stået i lys og ét til dem der har stået i mørke. Husk at mærke dem. 2. To til tre blade klippes af hver plante og puttes forsigtigt ned i røret med EtOH. 5 3. Pigmenterne ekstraheres 2 x 15 min. ved 80° C i varmeblok. Efter 15 min., hælder i den gamle EtOH ud og hælder ny varm EtOH på. Brug handsker og evt. grydelapper. Tiden man ekstraherer, er ikke helt afgørende, men sørg for at få al pigment ud af bladene. Jodfarvning Når al pigment er ekstraheret, overføres bladene til en firkantet petriskål. Tilsæt forsigtigt Lugol stamopløsning til bladene med en engangs-pipette. Vær ikke for nærige med opløsningen, der skal være iod nok til en god indfarvning af alle bladene. Væsken fjernes igen efter farvning i ca. 5 minutter. Derefter kan man tage billeder. Notér orienteringen af bladene mht. plantelinie og lys/mørke. Vurder farven for iod-bindingen og se om I kan sætte det i relation til forskellige mængder og kvaliteter af stivelse. Nogle spørgsmål: Hvorfor analyserer vi planter, der har stået i lys og planter der har stået 24 timer i mørke? Hvordan kan det være at stivelsen ikke bliver ekstraheret ud af bladet, når vi ekstraherer pigmenter? Hvorfor er de muterede planter meget lille? Mikroskopi af stivelseskorn Rå stivelseskorn kan observeres i et almindeligt lysmikroskop ved 10-100 gange forstørrelse. • Rå stivelse fra majs (Maizena) eller kartoffel opslemmes i lidt vand. En lille dråbe lægges på et objektglas og monteres med dækglas. • I mikroskop ses efter vækstringe på stivelseskornene, og stivelseskornes størrelse og form observeres. Stivelseskorn fra kartoffel er som regel betydeligt større (op til 100 μm) end stivelseskorn fra majs og øvrige kornarter, som er kun halvt så store. • Tilsæt en lille dråbe Lugols jodopløsning (se øvelse 1). Observer farveændring. 6 Farvning af stivelseholdige frugter og grønsager Vi bruger den klassiske jodkompleksering som stivelsesindikator, hvor jodmolekylerne bindes i stivelsesmolekylernes helixer (se tegning). Stivelsen skal være tilgængelig for jodmolekylerne, for at få en effektiv farvning. Tæt pakket resistent stivelse kompleksbinder ikke effektivt til jod, og ofte er det kun overfladen af de rå stivelseskorn, der farves. Med jodfarvning af stivelsesholdigt plantemateriale kan fordelingen af stivelse i vævet vurderes. Plantemateriale, f.eks. frugter og frø, på forskellige udviklingstrin kan sammenlignes, men man kan ikke bestemme koncentrationen af stivelse ud fra farveintensitet i frisk plantemateriale. • Fremstilling af Lugols stamopløsning: 5 g krystallinsk jod (I2) og 10 g kaliumjodid (KI) opløses i 85 ml destilleret vand. Den brune opløsning har en koncentration på 130 mg jod/ml. I2 og I- vil reagere med hinanden og danne I3-. Denne ion danner et farvede kompleks med stivelse. Opløsningen opbevares ved rumtemperatur i mørke. Før brug fortyndes stamopløsningen 1:100 med 100 mM HCl. • Test fordeling af stivelse i f.eks. modne og umodne æbler, pærer, og bananer. Frugterne skæres over og snitfladen dyppes i Lugols opløsning. Hvordan kan forskel i farveintensitet i grønne og modne bananer forklares? • Test fordeling af stivelse i f.eks. pastinak, jordskok og kartoffel. Hvorfor ses ingen eller kun lidt farve i jordskokker i forhold til kartoffel og pastinak? 7 Figur 4. Stivelsessyntesen (Fra Zeeman et al., 2007). Fosfoglukomutase, PGM er et vigtigt trin i stivelsesbiosyntesen Figur 5. Stivelsesnedbrydningen (Fra Zeeman et al., 2007). Glukan vand dikinase, GWD, fosforylerer stivelsen sådan at amylaser hydrolysere forbindelsene i stivelsen. Literatur: Zeeman SC, Smith SM, Smith AM. (2007) The diurnal metabolism of leaf starch. Biochemical Journal 401, 13–28. Andreas Blennow, Inga C. Bach (2009) Sund stivelse, vegetabilsk vingummi og spiselig plastic Publiceret 2009 på www.Planteforskning.dk / Baggrund/Aktuel forskning. 8 Yderligere eksperimenter Rå eller gelatiniseret stivelse Ved jodfarvning af plantemateriale med rå stivelseskorn kan farveintensiteten ikke bruges til at estimere mængden/koncentrationen af stivelse i materialet, fordi jodmolekylerne kan ikke effektivt komme ind til det tæt pakkede stivelseskorn. Ved at gelatinisere stivelsen bliver stivelseskæderne mere tilgængelige, og kan binde store mængder jod. To 0,2 gram store portioner kartoffelmel afvejes og opslemmes i 100 ml vand. Den ene opslemning koges i vandbad under omrøring i 2 min og nedkøles. Til begge rørene tilsættes 1 ml Lugols opløsning og farveintensitet sammenlignes. 9