Wykorzystanie technik mikroskopii fluorescencyjnej do badań układu błon wewnętrznych komórek roślinnych

• Authors: Michał Michalak , Tomasz Skrzypczak , Michalina Smolarkiewicz , Przemysław Wojtaszek

Title variants

EN

Fluorescence microscopy techniques in the research on the endomembrane system of plant cells

• Languages of publication: PL EN

Abstracts

PL

Gwałtowny rozwój technik mikroskopii fluorescencyjnej, w tym konfokalnej, w połączeniu z wykorzystaniem metod biologii molekularnej znacząco zdynamizowały rozwój molekularnej biologii komórki. Z wielu różnych względów, zwłaszcza znaczącej odmienności strukturalnej i funkcjonalnej, badania komórek roślinnych są nieco opóźnione. Artykuł podsumowuje stan badań systemu błon wewnętrznych komórek roślinnych z wykorzystaniem zróżnicowanych podejść i metod badawczych biologii komórki. Wskazuje na użycie różnego typu znaczników, tak chemicznych, jak i genetycznych, które umożliwiają lokalizację makrocząsteczek i procesów biologicznych. Omawia substancje chemiczne, które zaburzają funkcjonowanie systemu wewnątrzbłonowego, a więc pośrednio pozwalają wnioskować o roli uczestniczących w tych procesach białek. Wreszcie, pokazuje wykorzystanie nowych podejść i technik mikroskopowych do badań komórek roślinnych. Gdzie to jest stosowne, omawia także trudności wynikające ze swoistości składu, struktury i funkcji komórek roślinnych.

EN

Rapid development of fluorescence microscopy, including confocal microscopy, combined with the utilization of the methodologies of molecular biology, significantly accelerated the development of molecular cell biology. Research in plant cell biology slightly lags behind, mainly due to marked structural and functional dissimilarity of plant cells. This paper summarizes the current state of research on plant endomembrane system with respect to the utilization of differentiated approaches and methods of cell biology. The use of markers, both chemical and genetic, which enable localization of macromolecules and biological processes is indicated. Chemical substances perturbing the functioning of the endomembrane system and thus enabling to draw conclusions on the role of specific proteins are listed and discussed. Finally, use of novel approaches and microscopic techniques to the research of plant cells is demonstrated. Where applicable, problems arising due to the specific composition, structure and function of plant cells, are also considered.

• Journal: Kosmos
• Year: 2013
• Volume: 62
• Issue: 2
• Pages: 235-248

Dates

published

2013

Contributors

author

Michał Michalak

• Zakład Biologii Molekularnej i Komórkowej Uniwersytet im. Adama Mickiewicza Umultowska 89, 61-614 Poznań, Polska

author

Tomasz Skrzypczak

• Zakład Biologii Molekularnej i Komórkowej Uniwersytet im. Adama Mickiewicza Umultowska 89, 61-614 Poznań, Polska

author

Michalina Smolarkiewicz

• Zakład Biologii Molekularnej i Komórkowej Uniwersytet im. Adama Mickiewicza Umultowska 89, 61-614 Poznań, Polska

author

Przemysław Wojtaszek

• Zakład Biologii Molekularnej i Komórkowej Uniwersytet im. Adama Mickiewicza Umultowska 89, 61-614 Poznań, Polska

References

• Aniento F., Robinson D. G., 2005. Testing for endocytosis in plants. Protoplasma 226, 3-11.
• Basińska A., Krzesłowska M., Woźny A., 2012. Nowe fakty dotyczące transportu pęcherzykowego w komórkach roślinnych. Kosmos 61, 363-370.
• Bayle V., Nussaume L., Bhat R., 2008. Combination of novel green fluorescent protein mutant TSapphire and DsRed variant mOrange to set up a versatile in planta FRET-FLIM assay. Plant Physiol. 148, 51-60.
• Bolte S., Talbot C., Boutte Y., Catrice O., Read N. D., Satiat-Jeunemaitre B., 2004. FM-dyes as experimental probes for dissecting vesicle trafficking in living plant cells. J. Microsc. 214, 159-173.
• Brandizzi F., Irons S. L., Johansen J., Kotzer A., Neumann U., 2004. GFP is the way to glow: bioimaging of the plant endomembrane system. J. Microsc. 214, 138-158.
• Brown S. C., Bolte S., Gaudin M., Pereira C., Marion J., Soler M. N., Satiat-Jeunemaitre B., 2010. Exploring plant endomembrane dynamics using the photoconvertible protein Kaede. Plant J. 63, 696-711.
• Chalfie M., Tu Y., Euskirchen G., Ward W. W., Prasher D. C., 1994. Green fluorescent protein as a marker for gene expression. Science 263, 802-805.
• Cram W. J., 1980. Pinocytosis in plants. New Phytol. 84, 1-17.
• Dhonukshe P., Aniento F., Hwang I., Robinson D. G., Mravec J., Stierhof Y.-D., Friml J., 2007. Clathrin-mediated constitutive endocytosis of PIN auxin efflux carriers in Arabidopsis. Curr. Biol. 17, 520-527.
• Drakakaki G., Robert S., Szatmari A. M., Brown M. Q., Nagawa S., Van Damme D., Leonard M., Yang Z., Girke T., Schmid S. L., Russinova E., Friml J., Raikhel N. V., Hicks G. R., 2011. Clusters of bioactive compounds target dynamic endomembrane networks in vivo. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108, 17850-17855.
• Elgass K., Caesar K., Wanke D., Harter K., Meixner A. J., Schliefenbaum F., 2010. Application of FLIM-FIDSAM for the in vivo analysis of hormone competence of different cell types. Analyt. Bioanalyt. Chem. 398, 1919-1925.
• Faso C., Chen Y. N., Tamura K., Held M., Zemelis S., Marti L., Saravanan R., Hummel E., Kung L., Miller E., Hawes C., Brandizzi F., 2009. A missense mutation in the Arabidopsis COPII coat protein Sec24A induces the formation of clusters of the endoplasmic reticulum and Golgi apparatus. Plant Cell 21, 3655-3671.
• Feraru E., Paciorek T., Feraru M. I., Zwiewka M., De Groodt R., De Rycke R., Kleine-Vehn J., Friml J., 2010. The AP-3 β adaptin mediates the biogenesis and function of lytic vacuoles in Arabidopsis. Plant Cell 22, 2812-2824.
• Gall L., Stan R. C., Kress A., Hertel B., Thiel G., Meckel T., 2010. Fluorescent detection of fluid phase endocytosis allows for in vivo estimation of endocytic vesicle sizes in plant cells with sub-diffraction accuracy. Traffic 11, 548-559.
• Geldner N., Dénervaud-Tendon V., Hyman D. L., Mayer U., Stierhof Y.-D., Chory J., 2009. Rapid, combinatorial analysis of membrane compartments in intact plants with a multicolor marker set. Plant J. 59, 169-178.
• Grebe M., Xu J., Möbius W., Ueda T., Nakano A., Geuze H. J., Rook M. B., Scheres S. B., 2003. Arabidopsis sterol endocytosis involves actin-mediated trafficking via ARA6-positive early endosomes. Curr. Biol. 13, 1378-1387.
• Griffing L. R., 2008. FRET analysis of transmembrane flipping of FM4-64 in plant cells: is FM4-64 a robust marker for endocytosis? J. Microsc. 231, 291-298.
• Halet G., 2005. Imaging phosphoinositide dynamics using GFP-tagged protein domains. Biol. Cell. 97, 501-518.
• Hanton S. L., Brandizzi F., 2006. Fluorescent proteins as markers in the plant secretory pathway. Microsc. Res. Tech. 69, 152-159.
• Haseloff J., Siemering K., Prasher D., Hodge S., 1997. Removal of a cryptic intron and subcellular localization of green fluorescent protein are required to mark transgenic Arabidopsis plants brightly. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 2122-2127.
• Jelínková A., Malínská K., Simon S., Kleine-Vehn J., Parezová M., Pejchar P., Kubes M., 2010. Probing plant membranes with FM dyes: tracking, dragging or blocking? Plant J. 61, 883-892.
• Kleine-Vehn J., Dhonukshe P., Swarup R., Bennett M., Friml J., 2006. Subcellular trafficking of the Arabidopsis auxin influx carrier AUX1 uses a novel pathway distinct from PIN1. Plant Cell 18, 3171-3181.
• Kleine-Vehn J., Ding Z., Jones A. R., Tasaka M., Morita M. T., Friml J., 2010. Gravity-induced PIN transcytosis for polarization of auxin fluxes in gravity-sensing root cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 22344-22349.
• Konopka C. A., Bednarek S. Y., 2008. Variable-angle epifluorescence microscopy: a new way to look at protein dynamics in the plant cell cortex. Plant J. 53, 186-196.
• Konopka C. A., Backues S. K., Bednarek S. Y., 2008. Dynamics of Arabidopsis dynamin-related protein 1C and a clathrin light chain at the plasma membrane. Plant Cell 20, 1363-1380.
• Laptenok S. P., Borst J. W., Mullen K. M., Van Stokkum I. H. M., Visser A. J., Van Amerongen H., 2010. Global analysis of Förster resonance energy transfer in live cells measured by fluorescence lifetime imaging microscopy exploiting the rise time of acceptor fluorescence. Phys. Chem. Chem. Phys. 12, 7593-7602.
• Mathur J., Radhamony R., Sinclair A. M., Donoso A., Dunn N., Roach E., Radford D., Mohaghegh P. S., Logan D. C., Kokolic K., Mathur N., 2010. mEosFP-based green-to-red photoconvertible subcellular probes for plants. Plant Physiol. 154, 1573-1587.
• Mishev K., Dejonghe W., Russinova E., 2013. Small molecules for dissecting endomembrane trafficking: a cross system view. Chem. Biol. 20, 475-487.
• Młynkowiak P., Wojtaszek P., 2006. Brefeldyna A - wgląd w funkcjonowanie systemu błon komórek roślinnych. Post. Biol. Kom. 33, 19-33.
• Munnik T., Nielsen E., 2011. Green light for polyphosphoinositide signals in plants. Curr. Opin. Plant Biol. 14, 489-497.
• Nakano R. T., Matsushima R., Ueda H., Tamura K., Shimada T., Li L., Hayashi Y., Kondo M., Nishimura M., Hara-Nishimura I., 2009. GNOM-LIKE1/ERMO1 and SEC24a/ERMO2 are required for maintenance of endoplasmic reticulum morphology in Arabidopsis thaliana. Plant Cell 21, 3672-3685.
• Oparka K. J., Hawes C., 1992. Vacuolar sequestration of fluorescent probes in plant cells - a review. J. Microsc. 166, 15-27.
• Osterrieder A., Carvalho C. M., Latijnhouwers M., Johansen J. N., Stubbs C., Botchway S., Hawes C., 2009. Fluorescence lifetime imaging of interactions between Golgi tethering factors and small GTPases in plants. Traffic 10, 1034-1046.
• Otegui M. S., Spitzer C., 2008. Endosomal functions in plants. Traffic 9, 1589-1598.
• Peterson J. R., Mitchinson T. J., 2002. Small molecule, big impact: a history of chemical inhibitors and the cytoskeleton. Chem. Biol. 9, 1275-1285.
• Robert S., Chary S. N., Drakakaki G., Li S., Yang Z., Raikhel N. V., Hicks G. R., 2008. Endosidin1 defines a compartment involved in endocytosis of the brassinosteroid receptor BRI1 and the auxin transporters PIN2 and AUX1. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 8464-8469.
• Robert S., Raikhel N. V., Hicks G. R., 2009. Powerful partners: Arabidopsis and chemical genomics. Arabidopsis Book 7, e0109.
• Robinson D. G., Jiang L., Schumacher K., 2008. The endosomal system of plants: charting new and familiar territories. Plant Physiol. 147, 1482-1492.
• Šamaj J. (red.), 2012. Endocytosis in Plants. Springer, Berlin, Heidelberg.
• Šamaj J., Read N. D., Volkmann D., Menzel D., Baluška F., 2005. The endocytic network in plants. Trends Cell Biol. 15, 425-433.
• Schleifenbaum F., Elgass K., Sackrow M., Caesar K., Berendzen K., Meixner A. J., Harter K., 2010. Fluorescence intensity decay shape analysis microscopy (FIDSAM) for quantitative and sensitive live-cell imaging: a novel technique for fluorescence microscopy of endogenously expressed fusion-proteins. Mol. Plant 3, 555-562.
• Shimomura O., Johnson F., Saiga Y., 1962. Extraction, purification and properties of aequorin, a bioluminescent protein from the luminous hydromedusan, Aequorea . J. Cell. Comp. Physiol. 59, 223-239.
• Sparkes I., Brandizzi F., 2012. Fluorescent protein-based technologies: shedding new light on the plant endomembrane system. Plant J. 70, 96-107.
• Sparkes I. A., Graumann K., Martinière A., Schoberer J., Wang P., Osterrieder A., 2011. Bleach it, switch it, bounce it, pull it: using lasers to reveal plant cell dynamics. J. Exp. Bot. 62, 1-7.
• Tanaka H., Kitakura S., De Rycke R., De Groodt R., Friml J., 2009. Fluorescence imaging-based screen identifies ARF GEF component of early endosomal trafficking. Curr. Biol. 19, 391-397.
• Van Gisbergen P. A. C., Esseling-Ozdoba A., Vos J. W., 2008. Microinjecting FM4-64 validates it as a marker of the endocytic pathway in plants. J. Microsc. 231, 284-290.
• Vermeer J. E., Thole J. M., Goedhart J., Nielsen E., Munnik T., Gadella T. W., JR., 2009. Imaging phosphatidylinositol 4-phosphate dynamics in living plant cells. Plant J. 57, 356-372.
• Vizcay-Barrena G., Webb S. E., Martin-Fernandez M. L., Wilson Z. A., 2011. Subcellular and single-molecule imaging of plant fluorescent proteins using total internal reflection fluorescence microscopy (TIRFM). J. Exp. Bot. 62, 5419-5428.
• Wojtaszek P., 2006. Cytoszkielet. [W:] Biologia komórki roślinnej. Tom 1: Struktura. Wojtaszek P., Woźny A., Ratajczak L. (red.). Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 194-226.
• Woźny A., Ratajczak L., Wojtaszek P., 2006. Ogólne zasady budowy i funkcjonowania komórki roślinnej. [W:] Biologia komórki roślinnej. Tom 1: Struktura. Wojtaszek P., Woźny A., Ratajczak L. (red.). Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1-37.
• Woźny A., 2007a. Komunikacja w obrębie systemu. [W:] Biologia komórki roślinnej. Tom 2: Funkcja. Wojtaszek P., Woźny A., Ratajczak L. (red.). Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 202-220.
• Woźny A., 2007b. Endocytoza i egzocytoza. [W:] Biologia komórki roślinnej. Tom 2: Funkcja. Wojtaszek P., Woźny A., Ratajczak L. (red.). Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 221-228.
• Zwiewka M., Fararu E., Möller B., Hwang I., Feraru M. I., Kleine-Vehn J., Weijers D., Friml J., 2011. The AP-3 adaptor complex is required for vacuolar function in Arabidopsis. Cell Res. 21, 1711-1722.