Уравнение [11.12] представляет собой грубое приближение для оценки амплитуд разрыва. Параметры a , b и C зависят от типа арматуры (диаметр и количество сталей) и типа зонда, в частности от размера ярмового магнита.Влияние числа N ломаных сталей почти линейно. Амплитуды АЧ примерно в 2–3 раза превышают амплитуды РЧ.

Для RF показатель степени расстояния z равен примерно 2. Однако в случае AF этот показатель близок к 3.

Кроме того, можно увидеть влияние положения разрывов в сухожилии . Разрывы РЧ внутри сухожилий имеют значительно меньшую амплитуду, чем разрывы снаружи.Действительно, на практике больше всего подвержены опасности стали, расположенные близко к поверхности. Поэтому можно ожидать, что возможные разрывы сухожилия будут обнаружены вблизи поверхности бетона. Влияние чисел N разрывов почти линейно.

Растягивающая арматура – ​​обзор

14.1.1 Типичная картина разрушения (сдвиг-сжатие)

Сначала тщательно исследуется типичный процесс разрушения под совместным действием поперечной силы и изгибающего момента для свободно опертой балки прямоугольного сечения армирован только напрягаемой арматурой (без армирования стенки) (рис.14-1). Так как на балку симметрично действуют две сосредоточенные нагрузки, поперечная сила в любом сечении между опорой и нагрузкой является постоянной ( V = const. ), а изгибающий момент изменяется линейно. Этот отрезок называется сдвиго-изгибающим, а его длина называется сдвиговым пролетом ( a ), а отношение сдвигового пролета к эффективной глубине сечения называется сдвиго-пролетным отношением ( λ = а / ч ₀ ).

Согласно Сопротивление материалов , двухмерное напряженное состояние, существующее в сегменте сдвиг-изгиб (рис.14-1(b)) можно рассчитать следующим образом: горизонтальное нормальное напряжение распределяется линейно по вертикальному сечению, и его значение ( σ _x = M _y / I ) зависит от изгибающий момент и расстояние до нейтральной оси; касательное напряжение на вертикальном сечении ( τ = VS / bI ) распределяется по параболической кривой второго порядка. Конечно, это упрощенный расчет для балки из эластичного материала, а также подходит для железобетонной балки до появления трещин. Кроме того, под сосредоточенными нагрузками и вблизи опор локально и неравномерно формируются вертикальные нормальные напряжения ( σ _y ), в основном напряжения сжатия.

Зная распределения напряжений ( σ _x , σ _y , τ ) в пределах сдвигово-изгибающего участка, величины и направления главных напряжений ) в любой момент можно легко вычислить, например методом кругов Мора, после чего наносятся их локусы (рис.14-1(в), (г)). Если изменить положение нагрузки или поперечный пролет (a), т. е. отношение изгибающего момента к поперечной силе ( M / V = a), относительные значения между напряжениями σ _x , σ _y и τ в пределах сегмента сдвиг-изгиб соответственно изменяется, и последовательно появляются различные картины разрушения с разным пределом прочности.

При непрерывном нагружении балки среднего поперечного пролета ( λ = a / h ₀ = 1–3) характеристики напряженного состояния, деформации, растрескивания и разрушения балки под поперечная сила и изгибающий момент показаны явно (рис. 14-2). На начальном этапе нагружения напряжения в балке достаточно низкие и трещины в бетоне не появляются, распределение деформаций на сечениях I–I и II–II приближается к гипотезе о плоском сечении и напряженном состоянии в балке приближается к полученному из упругого расчета, а растягивающее напряжение арматуры на сечении изменяется пропорционально диаграмме изгибающего момента.

Трещина при растяжении сначала появляется в средней части, т. е. в сегменте чистого изгиба (усилие сдвига V = 0) балки, когда нагрузка достигает P ₁ .Изгибающий момент на сдвигово-изгибающем участке увеличивается с увеличением нагрузки, трещина изгиба (растяжения) появляется там вблизи основания и перпендикулярна оси балки, когда нагрузка достигает P ₂ . Трещина постепенно расширяется вверх с уменьшением наклона по мере увеличения нагрузки, и она близка к геометрическому месту главных сжимающих напряжений или перпендикулярна направлению главных растягивающих напряжений. Такая трещина называется изгибно-сдвиговой трещиной. Однако распределения деформаций на участках I–I и II–II по-прежнему приближены к гипотезе о плоском сечении.

При увеличении нагрузки до P ₃ и P ₄ последовательно возникает новая трещина изгибно-сдвигового типа, в то время как существующая трещина расширяется вверх с уменьшением уклона, и некоторые трещины могут проходить через сечение II–II . Тем временем на средней глубине и на расстоянии около ч ₀ от опоры появляется наклонная трещина около 45°, которая называется трещиной сдвига в стенке. В это время деформация бетона в нижней части секции II–II переходит от растягивающей к сжимающей, и вся секция полностью сжимается, но максимальное сжимающее напряжение сохраняется вверху.Относительное проскальзывание между арматурой и окружающим бетоном происходит локально после прохождения изгибно-сдвиговой трещины, поэтому растягивающее напряжение арматуры в ней резко возрастает и приближается к таковому на участке чистого изгиба. Таким образом, продольное распределение напряжения арматуры в пределах участка изгиба при сдвиге превращается из треугольника, аналогичного диаграмме изгибающих моментов, в трапецию, которая опять-таки не является напряженно-деформированным состоянием балки, анализируемой упруго.

При дальнейшем увеличении нагрузки до P ₅ и P ₆ трещина изгиба в сегменте чистого изгиба застаивается, в то время как трещина изгиба-сдвига в сегменте сдвиг-изгиб непрерывно распространяется вверх с уменьшение уклона и сдвиговая трещина в стенке развивается как вверх при уменьшении уклона, так и вниз при увеличении уклона. Когда верхний конец трещины при сдвиге достигает под нагрузочной плитой, а нижний ее конец перпендикулярно пересекается с напрягаемой арматурой, образуется критическая наклонная трещина.Форма этих наклонных трещин соответствует месту главных сжимающих напряжений балки. В это время максимальное сжимающее напряжение на участках I–I и II–II смещается вниз, а сжимающее напряжение вверху явно уменьшается и даже переходит в растягивающее. Растягивающее напряжение продольной арматуры на небольшой длине вблизи опоры еще невелико, но напряжение в другой части изгибающего участка приближается к таковому в чисто изгибающем участке с максимальным изгибающим моментом, а напряжение арматуры на пересечении ее с критической наклонной трещиной еще выше.На нем видно, что нагрузка на балку передается на опору по криволинейным линиям сжатия, а механическое состояние балки меняется на несколько связанных арок переменного сечения (рис. 14-3).

РИС. 14-3. Механические характеристики изгибаемого при сдвиге сегмента вблизи опоры: (а) действие арки, (б) основная арка и компоненты сдвига, (в) вторичная арка

При дальнейшем увеличении нагрузки ширина этих трещин непрерывно увеличивается, но их количество и форма больше не меняется.Наконец, зона сжатия вблизи нагрузочной плиты и вершины сечения серьезно уменьшается, бетон там достигает своей двухосной прочности на сжатие, а затем разрушается под совместным действием нормального ( σ _x , σ _y ) и сдвига ( τ ) напряжений, в них образуются горизонтальные трещины и зона разрушения. Нижний конец критической наклонной трещины вблизи арматуры внезапно расширяется, а на верхней поверхности арматуры появляется горизонтальная разрывная трещина.Такая типичная картина разрушения называется сдвигом-сжатием.

Этот тип разрушения балки можно смоделировать как набор связанных арок переменного сечения (рис. 14-3 (а)). Линии, передающие сжатие основной и вспомогательной арок, согласуются с местами основного напряжения сжатия, а напряжение растягивающей связи является однородным по частям. Основная арка должна включать конец балки, а трещины могут возникать вблизи верхнего угла в предельном состоянии из-за растягивающих напряжений, вызванных наклонным сжатием и соответствующим эксцентриситетом (рис.14-3(б)).

В соответствии с условием равновесия основной арки в предельном состоянии основными составляющими прочности на сдвиг ( V _u ), т. е. предельной реакции в опоре, железобетонной балки без армирования стенки являются: сопротивление сдвигу бетона над верхним концом критической наклонной трещины ( V _c ), взаимодействие между заполнителями по обеим сторонам трещины ( V _i ) и поперечное сопротивление или действие штифта продольной арматура ( В _д ). Эти три компонента разделяют общий предел прочности и составляют около 20–40 %, 33–50 % и 15–25 % соответственно для балки прямоугольного сечения [13-2].

Границы | Усиление клеточных стенок при стрессе от охлаждения и замораживания у стрептофитной зеленой водоросли Klebsormidium crenulatum

Введение

Воздушно-наземная зеленая водоросль Klebsormidium crenulatum была выбрана для ультраструктурных и физиологических исследований реакции на стресс от замораживания из-за ее адаптации к суровым условиям окружающей среды, например, в Австрийских Альпах на высоте более 2300 м над уровнем моря, где она была изолирована (Karsten et al. ., 2010; Хользингер и др., 2011). С помощью филогении ITS рРНК были определены отдельные клады (A-G) внутри Klebsormidiales (Rindi et al., 2011). Klebsormidium crenulatum относится к F-кладе, для которой характерны длинные, прочные и толстые нити, клетки имеют цилиндрическую форму, у старых нитей приобретают бочкообразную и узкоквадратную форму (Rindi et al. , 2011). Клеточные стенки вначале тонкие, у старых филаментов становятся толстыми и гофрированными (Михайлюк и др., 2015).

Klebsormidium является многочисленным представителем биологических почвенных корок и выдерживает широкий спектр абиотических стрессов, таких как сильное облучение, колебания температуры и высыхание.Поскольку и высыхание, и замораживание приводят к потере воды клетками, ожидается сопоставимое воздействие на физиологию и структуру Klebsormidium . Стресс высыхания широко изучался у различных штаммов Klebsormidium (например, Holzinger et al., 2011; Karsten and Holzinger, 2012; Karsten et al., 2016; Pierangelini et al., 2017), которые продемонстрировали различную способность переносить высыхание. Klebsormidium crenulatum , высушенный на воздухе в течение 3 часов и впоследствии регидратированный, показал восстановление максимального квантового выхода фотосистемы II, используемого в качестве показателя физиологической активности (Karsten et al. , 2010). Стресс высыхания вызывал субклеточные перестройки (Holzinger et al., 2011) и модификации клеточных стенок у K. crenulatum с увеличением общего содержания каллозы (Herburger and Holzinger, 2015). Также ранее исследовались холодовой стресс (Rippin et al., 2019; Miguez et al., 2020), стресс от замораживания (Elster et al., 2008; Nagao et al., 2008) и осмотический стресс (Kaplan et al., 2012). в различных штаммах Klebsormidium . У K. crenulatum плазмолиз произошел после обработки 800 мМ сорбита, что указывает на очень отрицательный осмотический потенциал (т.е., Ψ = -2,09 МПа; Каплан и др., 2012). По сравнению с этим, у водной пресноводной водоросли Micrasterias denticulata плазмолиз произошел после обработки 339 мМ сорбита (Affenzeller et al., 2009), что указывает на конститутивно более высокое содержание осмотически активных веществ в K. crenulatum , что, вероятно, благотворно влияет на стрессоустойчивость при замораживании.

В нескольких сообщениях о различных высших растениях уже указывалось, что холодовой стресс и, в частности, стресс от замораживания оказывает серьезное влияние на структуру клеточной стенки, расположение и модификацию клеточной стенки (Le Gall et al. , 2015; Билска-Кос и др., 2017; Парротта и др., 2019). Образование внеклеточного льда вызывает обезвоживание (Pearce, 1999; Stefanowska et al., 1999), что может привести к физическому разрыву клеточной стенки и впоследствии к гибели клеток (Pearce, 1999; Mahajan and Tuteja, 2005). Таким образом, растениям необходимо разработать стратегии, позволяющие им выдерживать сценарии с низкими температурами (Janska et al., 2010). Морфология и жесткость клеточных стенок, по-видимому, необходимы растениям для противодействия внеклеточному замораживанию (Rajashekar and Lafta, 1996).

Взаимодействия органелл часто наблюдались во время стрессовой реакции в различных растительных клетках (Vartapetian et al., 2003; Liberatore et al., 2016; Tanaka et al., 2017; Mathur et al., 2018; Steiner et al., 2018). . Митохондрии и ЭР взаимодействуют во время аутофагии (митофагия; Minibayeva et al., 2012; Broda et al., 2018), а также сообщалось о слиянии и делении митохондрий при гипоксическом стрессе, голодании или УФ-облучении (Logan, 2010; Jaipargas et al. , 2015; Мюллер и Рески, 2015; Вай и Лангер, 2016; Аримура, 2018).ER и сайты контакта ER с плазматической мембраной и ассоциации ER с эндосомами также участвуют в клеточном стрессовом ответе эукариотических клеток и были описаны у многих видов и различных типов клеток (Hepler et al., 1990; Staehelin, 1997; Stefano et al. , 2015; McFarlane et al., 2017; Wang et al., 2017). Взаимодействие ER и ER-органелл, по-видимому, играет важную роль в общей реакции на стресс, однако структурные и физиологические изменения во время низкотемпературного стресса у растений широко неизвестны.

В настоящем исследовании стратегии адаптации к холодовому стрессу, подразделяемые на холодовой (4°C) и внеклеточный замораживающий (-2°C и -4°C) стрессы, изучались у K. crenulatum с различными Трехмерные электронно-микроскопические методы в сочетании с физиологическими экспериментами. Кроме того, для проверки динамики полученных изменений были проведены эксперименты по восстановлению, в которых замороженным клеткам давали восстановиться и выдерживали при 20°C в течение 5 часов. Мы предположили, что лечение охлаждением и замораживанием приводит к динамическим изменениям клеточной ультраструктуры и архитектуры клеточной стенки, которые могут поддерживать физиологическую адаптацию к низким температурам.

Материалы и методы

Все применяемые химикаты в настоящем исследовании были приобретены у Roth (Карлсруэ, Германия) и Sigma-Aldrich (Вена, Австрия), если не указано иное.

Культивирование

Пресноводную зеленую водоросль Klebsormidium crenulatum культивировали в колбах Эрленмейера, содержащих 100 мл 3 N среды MBBM [Starr and Zeikus, 1993, базальная среда Болда (BBM), модифицированная добавлением тройной концентрации нитрата] в течение светового цикла 14 ч при 20°С и темный цикл 10 ч при 20°С.Интенсивность света выбиралась между 100 и 150 мкмоль фотон⋅м ^–2 ⋅с ^–1 . Несколько нитей Klebsormidium пересевают каждые 6 недель. Для экспериментов использовали нити возрастом примерно 4–5 недель.

Замораживание образцов в автоматическом морозильнике (AFU)

Низкотемпературную подготовку Klebsormidium проводили в AFU (более подробно см. Buchner et al., 2020) перед замораживанием под высоким давлением (HPF, см. раздел «Подготовка к TEM и FIB-SEM»).В AFU Klebsormidium был адаптирован к 4°C от 20°C с -8°C⋅ч ^–1 и впоследствии охлажден с -2°C⋅ч ^–1 (начиная с 4°C) . Замораживание вызывали путем переноса кристаллов льда на образец в держателе образца (подробности см. в Buchner et al., 2020). Для каждой конечной температуры (-2 и -4°C) использовали три независимых биологических повтора ( n = 3). В качестве эксперимента по восстановлению клетки Klebsormidium , замороженные при -2°C, как описано выше, оттаивали со скоростью 2°C⋅ч ^–1 и выдерживали при 20°C в течение 5 ч перед HPF.

Полярографические измерения кислорода

Фотосинтетические измерения содержания кислорода в контрольных образцах Klebsormidium при 20°C и филаментах после холодового стресса при 4°C проводили с помощью полярографического определения кислорода (Hansatech, Кингс Линн, Великобритания) в течение шести световых (200 мкмоль фотонов⋅м ^–2 с ^–1 ) и темновые циклы для исследования их дыхательной и фотосинтетической эффективности во время холодового стресса при 4°C по сравнению со стандартными условиями при 20°C. Продукцию O ₂ измеряли в водорослях после 1, 24 ч и 3 недель холодового стресса.Каждый подход был выполнен с тремя независимыми биологическими повторами ( n = 3).

Подготовка к ПЭМ и FIB-SEM

Нити Klebsormidium были непосредственно перенесены в держатель образцов для фиксации замораживанием под высоким давлением (HPF). Образцы контрольной обработки (20°С), охлажденные (4°С) и замороженные образцы (см. раздел «Замораживание образцов в автоматическом морозильнике») использовали в трех независимых биологических повторностях ( n = 3) каждый.Процедура HPF выполнялась с помощью устройства Leica EM PACT HPF (Leica Microsystems, Вена, Австрия). Скорость охлаждения для ТВД была устойчивой выше 12000°C⋅с ^–1 при примерно 2040 бар. После этого процесса Klebsormidium был перенесен в Leica EM AFS (Leica Microsystems, Вена, Австрия) для криозамещения. Замещающая среда содержала 2% OsO ₄ (1% OsO ₄ для иммуно-ТЕМ) и 0,05% уранилацетата в безводном ацетоне. Образцы заливали в смолу с низкой вязкостью Agar (смола LV, отвердители Vh2 и Vh3 и ускоритель LV, Agar Scientific, Эссекс, Великобритания) для стандартной ПЭМ и в LR-White (London Resin Company Ltd., Theale, Соединенное Королевство) для иммуно-ТЕМ. После этого с помощью ультрамикротома Leica UC7 или Reichert Ultracut S (Leica AG, Вена, Австрия) делали срезы для ПЭМ-изображения, и ультратонкие срезы, либо неокрашенные, либо контрастно окрашенные 1% уранилацетатом и цитратом свинца Рейнольдса (2,66%). собраны на медных сетках с тонким слоем формвара.

Все этапы подготовки, указанные выше, были выполнены таким же образом для томографии FIB-SEM, за исключением последнего этапа встраивания (подробности см. Wanner et al., 2013). Там отдельные нити Klebsormidium аккуратно распределяли поверх микроскопических срезов в микромасштабе (neoLab Migge GmbH, Гейдельберг, Германия), чтобы убедиться, что тонкие слои эпоксидной смолы покрывают отдельные нити. Меньшие части срезов микроскопа были установлены на заглушки и покрыты углеродом для бокового фрезерования с помощью FIB (пучок ионов Ga).

2-D TEM и 3-D TEM томография

2-D TEM выполняли либо в TEM LEO 912 AB Omega, либо в TEM Libra 120 (оба Zeiss, Оберкохен, Германия), работавших на 80 кВ.Трехмерная томография ПЭМ была выполнена на ПЭМ LEO 912 AB Omega при 120 кВ. Изображения всегда фильтровались с нулевой потерей энергии и были получены с помощью ПЗС-камеры TRS (Tröndle Restlicht Verstärker Systeme, Moorenweis, Германия) 2k Slow-Scan на обоих используемых TEM.

Для ПЭМ-томографии сетки с покрытием Formvar с сечением примерно 200 нм инкубировали в 2 мкл частиц коллоидного золота размером 15 нм (BBI Solutions, Кардифф, Великобритания) с обеих сторон сетки для последующего выравнивания. Во время томографического процесса образцы автоматически наклонялись в пределах от -70° до +70° с шагом 1°.Сбор и калибровку выполняли с помощью программного обеспечения iTEM (Olympus Soft Imaging Solutions GmbH, Мюнстер, Германия). Наклонная серия томографии ПЭМ сначала несколько раз выравнивалась с помощью iTEM. Для фактического согласования с IMOD (Университет Колорадо, Денвер, Колорадо, США) было выполнено преобразование с помощью ImageJ (Schneider et al., 2012). Сегментацию проводили вручную с помощью Amira Software (Visualized Sciences Group, Хилсборо, штат Орегон, США).

Измерения цистерн ЭР

Чтобы получить обзор увеличения цистерн ER во время стресса от замораживания, были измерены отдельные цистерны ER в Klebsormidium , внеклеточно замороженном при -4°C, по сравнению с контрольными образцами Klebsormidium при 20°C.Всего 50 контрольных клеток при 20°C (из трех независимых биологических повторов, n = 3) сравнивали с 50 клетками после индукции льдом при -4°C (из трех независимых биологических повторов, n = 3). Для измерения в каждой клетке измеряли наибольший диаметр гладкой цистерны ЭР.

Томография FIB-SEM

Чтобы обеспечить визуализацию больших объемов нитей Klebsormidium и получить трехмерное представление о расположении клеточной стенки и дополнительных слоев клеточной стенки, в дополнение к 2-D и 3-D TEM использовали FIB-SEM. .Для применения FIB-SEM процедура «срез и просмотр» была реализована с помощью рабочей станции с поперечной балкой Zeiss Auriga 40 (Carl Zeiss Microscopy, Оберкохен, Германия). Измельчение Ga-излучателя сфокусированным ионным пучком (FIB) (0,5–2 нА) отвечало за процесс «среза». Процедуру «просмотра» проводили и регистрировали на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) с апертурой 60 мкм в сильноточном режиме при напряжении 0,5 кВ внутрилинзового EsB-детектора. Полуавтоматическое выравнивание и ручная сегментация изображений FIB-SEM выполнялись с помощью программного обеспечения Amira.

Иммуно-ТЕМ

Immunogold с помощью ПЭМ-анализа проводили для определения компонентов клеточной стенки, в том числе дополнительных участков армирования клеточной стенки, прикрепленных к внутренней поверхности клеточной стенки Klebsormidium во время стресса при замораживании при -4°C. Для этого подхода применяли следующие моноклональные антитела: JIM 5 против неэтерифицированных пектинов, JIM 7 против метилэтерифицированных пектинов, JIM 13 и JIM 15 против белков арабиногалактана, LM 7 против гомогалактуронана, LM 8 против ксилогалактуронана, LM 10 и LM 11 против незамещенных и низкозамещенный ксилан, CCRC-M1 против ксилоглюкана и рамногалактуронана I, BG 1 и антитела к каллозе (400-2; Biosupplies Australia Pty Ltd. ) против β- _D -1,3-глюканов, лектин [агглютинин сои, Sigma-Aldrich (Вена, Австрия)] против N-ацетил- _D -галактозамина, 2F4 против гомогалактуронана, Mac 207 против арабиногалактана и Xgn против ксилоглюкан. Все первичные антитела были приобретены у Plant Probes (Лидс, Великобритания), если не указано иное. Для каждого подхода ультратонкие срезы блокировали в 50 мМ Trizma-буфере (pH 6,8) с 2% BSA (бычий сывороточный альбумин) и 0,1% Tween 20 (полиоксиэтиленсорбитанмонолаурат) в течение 40 мин.Срезы инкубировали в течение ночи при 4°С в первичном антителе. Каждое антитело сначала тестировали в низком соотношении разведения 1:5 с Trizma-буфером (50 мМ, pH 6,8, с 2% BSA и 0,1% Tween 20), чтобы гарантировать распознавание даже низкоконцентрированных эпитопов. При необходимости первичные антитела дополнительно разбавляли Trizma-буфером (конкретные разведения см. в таблице 1). После этого срезы промывали в Trizma-буфере четыре раза, а затем инкубировали со вторичным антителом в Trizma-буфере [вторые антитела см. температура в течение 1 ч.На последнем этапе сетки промывали буфером (см. выше), затем дистиллированной водой и сушили. В качестве отрицательного контроля срезы обрабатывали, как описано выше, но исключали первое антитело. Эту процедуру проводили со всеми антителами, кроме лектина. Для лектина ультратонкие срезы сначала блокировали 10 мМ PBS (0,5% BSA, 0,05% Tween 20) на 40 мин, а затем переносили на маркер лектина. На последнем этапе лектиновый маркер инкубировали в течение ночи при 4°С. Все методы мечения были выполнены с внеклеточно замороженными образцами Klebsormidium при -4°C до подготовки ПЭМ (см. раздел «Подготовка к ПЭМ и FIB-SEM») и впоследствии были проанализированы в ПЭМ (см. раздел «2-D TEM и Трехмерная томография ПЭМ»).

Таблица 1. Антитела, которые использовались для анализа клеточных стенок и участков укрепления клеточных стенок (CWRA) в Klebsormidium (внеклеточно замороженные при -4°C), подразделенные на первое антитело, второе антитело, спецификация/антиген, маркировка и тип антител.

Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия и окрашивание анилиновым синим

(CLSM) выполняли с помощью Leica TCS SP5 AOBS (Leica Microsystems, Wetzlar, Germany) в сочетании с инвертированным микроскопом Leica DMI 6000 CX.По результатам предыдущего исследования (Herburger, Holzinger, 2015) каллозу окрашивали 2% анилиновым синим в течение 2 ч (адаптировано из Herburger, Holzinger, 2016) и впоследствии исследовали в CLSM. Визуализация была получена при возбуждении 405 нм (диод 405, УФ-лазер) и полосе излучения от 425 до 548 нм. Окрашивание анилиновым синим и последующий CLSM-анализ проводили с контрольными образцами Klebsormidium при 20°C и образцами, охлажденными от 20°C до 4°C с -8°C⋅ч ^–1 и от 4°C до 4°C. −2°C при −2°C⋅ч ^–1 .Замораживание индуцировали при -2°C и Klebsormidium выдерживали во внеклеточном замороженном состоянии в течение 1 часа. Водоросль оттаивали при 4°С, окрашивали анилиновым синим при 4°С и затем исследовали с помощью КЛСМ при комнатной температуре. Анализ интенсивности флуоресценции проводили с помощью функции количественного определения в программном пакете Leica X (Leica Microsystems, Wetzlar, Germany). Из трех независимых биологических повторов ( n = 3) отбирали филаменты и измеряли интенсивность флуоресценции первых шести поперечных стенок филамента.

Статистический анализ данных

Анализ описательных статистических данных и сравнение средних значений с помощью теста t (в случае измерения просвета ЭР и измерения интенсивности флуоресценции при окрашивании анилиновым синим) или путем анализа дисперсии (односторонний ANOVA) с последующим множественным диапазоном Дункана тест (в случае полярографических измерений кислорода) выполняли с помощью статистического программного обеспечения (IBM SPSS V.26.0, SPSS Inc., Армонк, штат Нью-Йорк, США). Для всех статистических тестов нормальное распределение и однородность дисперсии проверялись тестами Шапиро-Уилка и Левена соответственно, уровень значимости p < 0. 05 использовался.

Результаты

Фотосинтез и темновое дыхание во время холодового стресса при 4°C по сравнению с контролем при 20°C

Для изучения физиологического состояния Klebsormidium во время стресса от переохлаждения были проведены полярографические измерения кислорода во время стресса от переохлаждения при 4°C. Наши результаты показывают статистически значимое ( p <0,05) снижение фотосинтеза (кажущегося и общего фотосинтеза) после 1 ч холодового стресса при 4 ° C по сравнению с контрольными клетками (рис. 1A, B).Дыхание в темноте значительно ( p <0,05) отличалось от контроля после 24 ч холодового стресса при 4°C (рис. 1А). Однако показатели дыхания и фотосинтеза существенно не отличались при сравнении 1-часового, 24-часового или 3-недельного холодового стресса при 4°C (рис. 1А, В). Поскольку нет существенных различий между контролем и 3-недельным охлаждением (4 ° C) стрессовыми клетками (рис. 1B), возможен процесс акклиматизации.

Рисунок 1. Кажущийся фотосинтез (A) серые столбики, темновое дыхание (A) открытые столбцы и общий фотосинтез (B) открытые столбцы Klebsormidium после 1, 24 ч и 3 недель холодового стресса при 4°С.Столбики представляют собой средние значения трех независимых биологических повторов ( n = 3). Стандартная ошибка среднего показана линией. Разные буквы (а, б) указывают на значительные различия между средними значениями ( p < 0,05; критерий множественных диапазонов Дункана).

Структурные изменения во время стресса при охлаждении и замораживании по сравнению с контролем при 20°C (2-D TEM)

Контрольные образцы Klebsormidium при 20°C демонстрируют гомогенную клеточную стенку и случайное распределение органелл, таких как одиночные распределенные и сферические митохондрии, а также ненарушенную структуру тилакоидов и расположение хлоропластов (рис. 2А и таблица 2).Более того, только нераздутые цистерны ER и неповрежденные диктиосомы обнаруживаются в контроле при 20°C (рис. 2А и табл. 2). Во время холодового стресса (4°C) клеточная стенка и большинство структур органелл кажутся похожими на контрольные клетки при 20°C. Однако митохондрии начинают агрегировать, а цистерны ЭР и структура тилакоидов слегка увеличиваются (рис. 2В-Е и табл. 2). Более того, пробки клеточной стенки, ориентированные внутрь (CWPs, длиной примерно 200 нм), редко появляются во время холодового стресса при 4 ° C (рис. 2C; стрелка и таблица 2) в угловых областях клеточной стенки, которых нет в контроле.При появлении этих CWP цитоплазма не оттягивается от клеточной стенки. Когда индуцируется стресс от замораживания (-2 ° C), размер и количество CWP увеличиваются в основном в угловых областях поперечной стенки (рис. 2F; стрелка и таблица 2). Когда стресс от замораживания индуцируется при температуре -4 ° C, CWP часто обнаруживаются вдоль внутренней стороны всей клеточной стенки, но наиболее заметно в угловых областях поперечных стенок (рис. 2G, H; стрелки и таблица 2), однако цитоплазма еще не оторвались от клеточной стенки. При замораживании (-2°C и -4°C) митохондрии удлиняются, сливаются и объединяются в локальные кластеры.Диктиосомы уменьшают количество цистерн, гладкие цистерны ER значительно ( p <0,05) увеличивают свой объем по сравнению с контролем (дополнительная фигура S1 и таблица 2), а тилакоиды хлоропласта расширяются (рисунки 2F – H и таблица 2). . Клетки Klebsormidium , которым дали возможность восстановиться после замораживания (-2°C) и разморозили до 20°C, не показали CWP (рис. 3A, B).

Рисунок 2. Микрофотографии ПЭМ Klebsormidium во время холодового стресса по сравнению с контролем при 20°C. (A) Контрольная клетка при 20°C показывает одиночные распределенные сферические митохондрии, правильные цистерны ER и ненарушенную структуру тилакоидов. (B) Клетка через 1 час, охлаждающий стресс при 4°C с увеличенными цистернами ER и (C) , показывающий небольшую пробку клеточной стенки (CWP). (D) Клетки после 24 ч, холодового стресса при 4°C с увеличенными цистернами ER. (E) Клетка через 3 недели, охлаждающий стресс при 4°C показывает агрегацию митохондрий и увеличение ЭР. (F) После стресса при замораживании –2°C цистерны ЭР увеличиваются и присутствуют пробки клеточной стенки (CWP; стрелка). (G) После стресса при замораживании –4°C присутствуют расширенные CWP (стрелки). (H) Замораживание при температуре –4°C вызывает удлинение и слияние митохондрий, а также увеличение количества и размера CWP (стрелки). м, митохондрии; cw, клеточная стенка; v, вакуоль; хл, хлоропласт; ER, эндоплазматический ретикулум; г — диктиосомы; масштабная линейка (1 мкм) применяется ко всем изображениям.

Таблица 2. Обзор ультраструктурных изменений в Klebsormidium crenulatum после 1, 24 ч и 3 недель холодового стресса (4°C), холодового стресса (-2 и -4°C) по сравнению с контролем при 20°C .

Рисунок 3. Микрофотографии ПЭМ Klebsormidium , выдержанные при 20°C в течение 5 ч после восстановления после замораживания при –2°C. (A,B) В восстановленных клетках показаны клеточные стенки и поперечные стенки (стрелки) без появления пробок клеточных стенок или дополнительных слоев клеточных стенок. cw, клеточная стенка; хл, хлоропласт; м, митохондрия; v, вакуоль; п, ядро; масштабная линейка (1 мкм) применяется к обоим изображениям.

Изменения клеточных стенок и скопления органелл во время стресса при замораживании до -4 °C (3-D TEM-томография)

Наши результаты 2-D TEM в клетках Klebsormidium после замораживания указывают на изменения структуры клеточной стенки и увеличение агрегации органелл, а также изменения в их морфологии.Для соответствующей структурной интерпретации эти изменения были исследованы с помощью томографии ПЭМ высокого разрешения, чтобы получить трехмерное представление о структурных изменениях, вызванных замораживанием. Томограммы 3-D TEM необработанного контрольного образца Klebsormidium при 20°C демонстрируют гомогенную структуру клеточной стенки, одиночные распределенные митохондрии и незначительное появление цистерн ER (рис. 4A, B и таблица 2). Напротив, реконструкция внеклеточно замороженной (-4 ° C) клетки Klebsormidium показывает расширенные CWP, агрегирующиеся с обращенными внутрь слоями клеточной стенки (рис. 4C-E и таблица 2).Наша трехмерная визуализация TEM изображает расширенную область дополнительных слоев клеточной стенки, расположенную в углу клетки, обозначенной пурпурным цветом (рис. 4D). Ни CWP, ни дополнительные слои клеточной стенки отсутствуют в контрольных образцах Klebsormidium при 20°C (рис. 4A, B и таблица 2). Во внеклеточно замороженных клетках Klebsormidium при -4°C митохондрии немного отличаются по размеру и форме по сравнению с контролем при 20°C. Во время стресса от замораживания наблюдается слияние отдельных митохондрий (рис. 4E, F, стрелки и таблица 2), а протяженные гладкие цистерны ЭР образуют сети между митохондриями, хлоропластами и ядром в непосредственной близости от клеточной стенки (рис. 4C и таблица 2). .В предыдущем исследовании (Nagao et al. , 2008) сообщалось об общем увеличении хлоропластов у Klebsormidium flaccidum после двухдневного холодового стресса при 2°C путем анализа данных 2-D TEM. В нашем исследовании увеличение размера хлоропластов Klebsormidium crenulatum не наблюдалось ни во время охлаждения, ни во время стресса от замораживания после исследования с помощью 2-D и 3-D TEM.

Рис. 4. Реконструкция по серии томограмм ПЭМ контрольной клетки Klebsormidium при 20°C (A,B) в сравнении с внеклеточно замороженной клеткой Klebsormidium при –4°C (C–E) . (D) Томограмма TEM под другим углом (масштабная линейка: 500 нм), визуализирующая огромный CWRA (пурпурный), указанный на панели (C) . (F) TEM-срез (шкала: 500 нм) TEM-томографии показывает слияние митохондрий (стрелка) и удлиненных цистерн ER во внеклеточно замороженных клетках Klebsormidium при –4°C, как показано на панели (E) . фиолетовый, митохондрии; синий, ER; желтый, крахмальные зерна; пурпурный, дополнительный слой клеточной стенки, представляющий область армирования; cw, клеточная стенка; v, вакуоль; хл, хлоропласт; п, ядро; м, митохондрии; Томограммы ПЭМ (A–C,E) были записаны с одинаковым увеличением (масштабная линейка: 500 нм).

Изменения клеточной стенки при температуре замерзания при температуре -2°C в томографии FIB-SEM

Чтобы получить полное представление о трехмерном распределении дополнительных слоев клеточной стенки на наших томограммах ПЭМ в пределах целой клетки Klebsormidium , была проведена трехмерная томография FIB-SEM. Это дает важную информацию в дополнение к томографии ПЭМ, поскольку этот метод позволяет изображать большие объемы или целые клетки. С помощью этого метода было подтверждено наличие обращенных внутрь дополнительных слоев клеточной стенки во время замораживания -2°C.Реконструкция контрольной клетки Klebsormidium при 20°C показывает общую гомогенную структуру клеточной стенки без каких-либо структурных изменений или появления CWP или слоев клеточной стенки. На нем также изображен париетальный хлоропласт в форме открытого кольца, которое покрывает другие органеллы в контроле при 20°C (рис. 5А, В и таблица 2). После стресса при замораживании -2 ° C реконструкция показывает огромное количество дополнительного материала клеточной стенки. Поскольку большая часть его расположена в углах клеток, вполне вероятно, что он укрепляет клеточную стенку во время стресса от замораживания, что подтверждает наши исследования томографии ПЭМ.Некоторые из этих дополнительных слоев клеточной стенки также находятся на боковой стороне клеточной стенки (рис. 5C, D и таблица 2).

Рисунок 5. Реконструированные FIB-SEM срезы контрольной клетки Klebsormidium при 20°C (A,B) в сравнении с внеклеточно замороженной клеткой Klebsormidium при –2°C (C,D) . В замороженной кювете при –2°C отчетливо видны ЗВР углов клеток (пурпурные). синий, клеточная стенка; пурпурный — дополнительные слои клеточных стенок, представляющие области армирования; прозрачно-желтый, вакуоль; прозрачно-зеленый, хлоропласт; прозрачно-красный, пероксисома; масштабная линейка (4 мкм) применяется ко всем изображениям.

Каллоза и ксилан являются составляющими клеточной стенки, но не маркируют CWP и дополнительные слои клеточной стенки (иммуно-ТЕМ)

Иммуно-ТЕМ окрашивание золотом показывает специфическое мечение каллозы и ксилана в клеточной стенке Klebsormidium антителами каллозы и LM 11 соответственно. Каллозное антитело маркирует утолщенные поперечные стенки (рис. 6А и таблица 1). Все другие протестированные антитела (таблица 1) не приводили к окрашиванию клеточной стенки в Klebsormidium . Когда первые антитела были исключены в качестве отрицательного контроля, окрашивания не происходило, как это ранее было показано для антитела каллозы (Herburger and Holzinger, 2015).Некоторые поперечные стенки содержат электронно-плотные области (рис. 6А, звездочка) в центре или в угловой области поперечной стенки, которые также помечены каллозным антителом. Ранее эти участки отмечались как пространства, возникающие у Klebsormidium crenulatum до фрагментации двух соседних клеток (Михайлюк и др., 2015). Тонкие поперечные стенки и боковые клеточные стенки не метятся каллозным антителом. Кроме того, дополнительные слои клеточной стенки не показывали маркировки каллозным антителом (рис. 6А; стрелки).Антитело ксилана распознает эпитопы во всей клеточной стенке Klebsormidium , как в поперечных, так и в продольных стенках (рис. 6В и таблица 1). Однако он также не помечает CWP и дополнительные слои клеточной стенки (рис. 6B; стрелки).

Рисунок 6. Распределение частиц золота после иммуноокрашивания антителами к каллозе (А) и ксилану (Б) (LM 11) в клеточной стенке (кв) Klebsormidium , замороженных при – 4°C, без маркировки CWRA (стрелки). (A) Толстая поперечная стенка Klebsormidium с электронно-плотным участком (звездочка) до фрагментации и прикрепленными дополнительными слоями клеточной стенки (стрелки). (B) Продольная клеточная стенка и поперечная стенка с пробками клеточной стенки (CWP) (стрелки). Золотые частицы имеют диаметр 10 нм; масштабная линейка (500 нм) применяется к обоим изображениям.

Визуализация каллозы окрашиванием анилиновым синим

анилиновым синим исследовали с помощью CLSM для определения распределения каллозы в поперечных клеточных стенках филаментов Klebsormidium . Этот метод позволяет окрашивать все количество каллозы в клеточных стенках, а не только специфические свободные эпитопы, как в иммуно-ПЭМ. Мы обнаружили обильные каллозы (синие) на утолщенных поперечных стенках необработанных контролей при 20°C (рис. 7A) и нити Klebsormidium после замораживания при -2°C и последующего оттаивания для реализации CLSM (см. раздел «Конфокальное лазерное сканирование»). Микроскопия и окрашивание анилиновым синим»; рисунок 7B). Клетки, замороженные при -2°C, имеют отдельные поперечные стенки с резко усиленным окрашиванием каллозы (рис. 7В).Коробчатые диаграммы (рис. 7C) показывают более высокую медиану и дисперсию сигнала флуоресценции в замороженном -2°C Klebsormidium (среднее значение: 85,7 + 37,4 SE) по сравнению с контрольными образцами при 20°C (среднее значение 36,2 + ). 13.3 СЭ). Тем не менее, с помощью t -Test не удалось обнаружить существенных различий.

Рис. 7. Микрофотографии конфокального лазерного сканирования (объединенная микрофотография и чистое окрашивание синим цветом) окрашенного анилиновым синим Klebsormidium контроля при 20°C (A) после замораживания при –2°C (B) и (C) диаграмм распределения интенсивности флуоресценции при окрашивании анилиновым синим. (A) CLSM-изображения контрольного образца Klebsormidium при 20°C с обильным мозолистым налетом (синий) в центре поперечных стенок. (B) КЛСМ-изображения Klebsormidium после стресса замораживания –2°C с обильной мозолистостью в утолщенных поперечных стенках и незначительной мозолистостью в области кончика. (C) прямоугольных диаграмм, показывающих медиану и межквартильный размах (IQR) из трех независимых биологических повторов ( n = 3), усы представляют 1,5 IQR, t — тест не показал существенных различий.Масштабная линейка (5 мкм) применяется к A, B.

Обсуждение

Зеленая водоросль стрептофитная Klebsormidium crenulatum хорошо приспособлена к неблагоприятным условиям окружающей среды в экстремальных местах своего обитания. В качестве стратегии выживания нитчатые водоросли разработали механизмы адаптации, чтобы противостоять высыханию, высокому облучению и быстрым колебаниям температуры. Например, во время высыхания гибкие поперечные стенки Klebsormidium должны выдерживать физическое давление из-за потери воды (Holzinger et al. , 2011).

В настоящем исследовании исследования 2-D TEM показали нечастые CWP, которые появлялись в одиночных филаментах Klebsormidium , расположенных в угловой области латеральной клеточной стенки и поперечной стенки, даже во время холодового стресса при 4°C. Насколько нам известно, до сих пор не сообщалось о подобных изменениях клеточной стенки во время холодового стресса в клетках растений или водорослей. Нечастые CWP, наблюдаемые во время холодового стресса (при 4°C), увеличивались в размерах и были обнаружены в более крупных частях поперечной стенки и угловой области клеточной стенки при индуцировании холодового стресса при -2°C.Когда замораживание индуцировали при -4 ° C, большинство клеток Klebsormidium были покрыты дополнительными слоями материала клеточной стенки, которые интерпретировались как области укрепления клеточной стенки (CWRA). Наши трехмерные томограммы TEM и реконструкции FIB-SEM предполагают, что дополнительные слои клеточной стенки функционируют как укрепление клеточной стенки во время стресса от замораживания, поскольку они наиболее заметно прикреплены к угловым областям клеточной стенки. Мы предполагаем, что CWRA противодействуют физическому давлению замороженной окружающей среды, чтобы избежать разрыва клеточной стенки, вызванного замораживанием, как сообщалось ранее (Rajashekar and Lafta, 1996).

Из-за увеличения CWPs до CWRAs от охлаждения до стресса замораживания, это была наша первая гипотеза, что эти усиления клеточных стенок могут поддерживать жесткость клеточных стенок, богатых ксиланом. Это мнение также подтверждается экспериментами по восстановлению, где оттаивание (до 20°С со скоростью 2°С⋅ч ^–1 и последующее выдерживание образцов в течение 5 ч при этой температуре) приводит к к полной потере CWP или CWRA, предполагая динамическое возникновение этих структур, вызванное стрессом.CWP и CWRA могут помочь клетке справиться с физическим давлением и обезвоживанием во время образования льда. Предыдущее исследование с Klebsormidium показало, что водоросль увеличивает количество каллозы в областях поперечной стенки во время стресса высыхания (Herburger and Holzinger, 2015). Предполагалось, что водоросль, таким образом, обеспечивает большую гибкость, а нити уменьшали свой объем за счет усадки, чтобы противодействовать обезвоживанию. В нашем исследовании мы наблюдали аналогичный эффект, когда каллозы было больше в отдельных утолщенных поперечных стенках замороженных клеток, однако этот эффект не был статистически значимым.Кроме того, в некоторых из этих утолщенных поперечных стенок в центре и в угловых областях клеточной стенки наблюдались электронно-плотные области с помощью 2-D TEM изображения. О подобных структурных изменениях клеточной стенки сообщалось ранее у Klebsormidium crenulatum (Михайлюк и др., 2015). В последнем исследовании перед фрагментацией двух соседних клеток Klebsormidium crenulatum , хранившихся при 20°C, в клеточной стенке образовались пробелы. Мы предполагаем, что увеличение каллозы поддерживает необходимую гибкость поперечных стенок для противодействия обезвоживанию во время стресса от замораживания.Это сопровождалось увеличением CWRA, по-видимому, для поддержания общей жесткости клеточной стенки, чтобы противостоять физическому давлению внеклеточного льда. Помимо определения каллозы в областях поперечной стенки и ксилана во всей клеточной стенке, компоненты CWRAs пока неизвестны. Поскольку все антитела, использованные для ПЭМ-анализа иммуноглобулина в настоящем исследовании, не метили CWRA, у нас нет прямых доказательств того, что они содержат материал клеточной стенки.

Однако в исследовании Takahashi et al.(2019) акклиматизация Arabidopsis к холоду и минусовым температурам сопровождалась обширными изменениями количества, состава и структуры клеточных стенок. Эти изменения были связаны с протеомным подходом к накоплению ферментов, модифицирующих клеточную стенку, таких как пектинметилэстеразы, ингибиторы пектинметилэстеразы и ксилоглюканэндотрансглюкозилазы/гидролазы во внеклеточном матриксе. В Klebsormidium у нас есть экспериментальные доказательства активности ксилоглюкан: ксилоглюкан эндотрансглюкозилаза (XET) (Herburger et al., 2018), а также новые активности трансгликозилирования между ксилоглюканом и ксиланом и ксилоглюканом и галактоманнаном были идентифицированы in vitro (Herburger et al. , 2018). Таким образом, вполне возможно, что дополнительные слои, вызванные охлаждением и замораживанием, обнаруженные в Klebsormidium , модифицированы этими ферментами таким образом, что они не распознаются стандартным набором антител, примененным в этом исследовании. Одним из возможных способов проверить это может быть применение, например, XET к Klebsormidium , а затем исследование с помощью ПЭМ с иммуно-золотом, если изменяется активность связывания положительно протестированных антител.

В дополнение к изменениям клеточной стенки во время холодового и замораживающего стресса наблюдались дополнительные механизмы ультраструктурной адаптации Klebsormidium . Во время холодового стресса при 4°С наблюдались незначительные ультраструктурные изменения. Митохондрии начали агрегировать и удлиняться, мембраны тилакоидов выглядели слегка расширенными, а в непосредственной близости от хлоропласта наблюдалась расширенная сеть ЭР. Однако диктиосомы не показали видимых изменений в размере, форме или образовании пузырьков во время холодового стресса.

При замораживании Klebsormidium филаментов (-2°C и -4°C) митохондрии агрегировали и сливались в небольшие кластеры. Аналогичная агрегация наблюдалась у одноклеточной пресноводной водоросли Micrasterias denticulata при ионном стрессе (Steiner et al., 2018). Там митохондрии агрегировали и сливались в большие кластеры, когда клетки подвергались стрессу хлоридом калия (Steiner et al., 2018). Ранее сообщалось об изменениях морфологии и распределения митохондрий как признаках стресса в эукариотических клетках (Vartapetian et al., 2003; Скотт и Логан, 2008 г .; Welchen et al., 2014) и коррелируют с нашими исследованиями ультраструктуры Klebsormidium при холодовом стрессе. Кроме того, увеличенные гладкие цистерны ER агрегировали в мультиорганельные сети с митохондриями, ядром и хлоропластами во время стресса замораживания -4 ° C у Klebsormidium (рис. 4C). В этом отношении результаты на Klebsormidium хорошо соответствуют результатам, полученным на Micrasterias во время ионного стресса, где стресс-индуцированные митохондриальные сети также контактировали с деградирующими диктиосомами или обширными цистернами ЭР (Steiner et al. , 2018). В настоящем исследовании увеличенные гладкие цистерны ER располагались близко к угловой области клеточной стенки и CWRAs во время стресса от замораживания у Klebsormidium . Мы предполагаем, что близкое расположение увеличенного гладкого ER к клеточной стенке и CWRA способствует процессу стабилизации за счет кальциевой (Ca ²⁺ ) регуляции. Таким образом, повышенная концентрация кальция поддерживает слияние везикул и впоследствии слияние везикул с клеточной стенкой, продуцируя дополнительные слои CWRA во время внеклеточного замораживания.Ранее сообщалось, что в пыльцевых трубках высших растений Ca ²⁺ является важным интерфейсом между цитопластом и клеточной стенкой, что указывает на то, что более высокие концентрации Ca ²⁺ поддерживают жесткость клеточной стенки (Hepler and Winship, 2010). ), что хорошо согласуется с нашими выводами. Кроме того, тилакоидная структура хлоропластов была даже более расширена во время внеклеточного стресса замораживания (-2 ° C и -4 ° C) по сравнению с охлаждающими стрессовыми клетками при 4 ° C, и цистерны диктиосом деградировали при индуцированном замораживании. По-видимому, низкие температуры не повреждают структуру и функцию диктиосом Klebsormidium до тех пор, пока не будет вызвано замораживание и цистерны не начнут деградировать.

Холодовой стресс сопровождается глубокими изменениями физиологии у Klebsormidium. Полярографические измерения кислорода, проведенные в настоящем исследовании, показали, что наблюдаемые ультраструктурные изменения Klebsormidium во время стресса от охлаждения при 4°C сопровождались статистически значимым ( p < 0.05) снижение кажущегося и общего фотосинтеза через 1 ч этого стресса (рис. 1А,Б). Напротив, дыхание значительно ( p < 0,05) уменьшилось только после 24 ч холодового стресса (рис. 1А). Тем не менее, дыхательная способность все еще сохранялась, когда агрегация митохондрий происходила после 24 часов холодового стресса. Подобные ультраструктурные и физиологические эффекты наблюдались у одноклеточной пресноводной водоросли Micrasterias denticulata во время ионного стресса, что свидетельствует о том, что слияние и агрегация митохондрий и сопутствующая взаимосвязь дыхательных цепей противодействуют воздействию стрессора (Steiner et al. , 2018). Через 3 недели холодового стресса Klebsormidium при 4°C дыхание и общий фотосинтез существенно не отличались от контрольных, что указывает на возможную акклиматизацию к стрессу. Это согласуется с наблюдениями за устойчивостью к замораживанию Klebsormidium flaccidum , которая значительно повышалась при обработке холодом (Nagao et al., 2008). При переносе клеток K. flaccidum с 18°С на -10°С выживало только 15%, но при акклиматизации при 2°С в течение 2 дней выживаемость повышалась до 55%, а после акклиматизации в течение 7 дней при 2°С С до 85%.Физиологическое объяснение этой акклиматизации можно найти в повышенных концентрациях растворимых сахаров (глюкозы и сахарозы), предполагаемого гликозида и аминокислот, включая гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК), накопленных в этой водоросли во время холодовой акклиматизации (Nagao et al., 2008). ). Аналогичные наблюдения были сделаны Miguez et al. (2020), указывающие на начальное увеличение содержания сахарозы во время холодовой акклиматизации при 5°C.

Разработка метода AFU (Buchner et al., 2020) позволила подготовить замороженные нити Klebsormidium для дальнейших исследований с помощью ПЭМ.Насколько нам известно, это первые ультраструктурные изображения и томограммы замороженных образцов водорослей, подготовленных перед замораживанием под высоким давлением (HPF), вместе с недавно опубликованными данными о водорослях или растительных тканях (Buchner et al., 2020). По нашему мнению, важно анализировать трехмерную ультраструктуру клеток с помощью различных методов двумерной и трехмерной электронной микроскопии, как это было сделано в предыдущих исследованиях ранее (Wanner et al., 2013; Steiner et al., 2018). Это дает возможность сопоставить ультраструктурные данные с физиологическими данными, чтобы получить представление о взаимодействии между функцией и структурой организмов.

В этом исследовании мы продемонстрировали дополнительные слои клеточной стенки, которые увеличивались в размерах от охлаждения до стресса от замораживания. Хотя их формирование началось как небольшие CWP во время холодового стресса, они превратились в большие CWRA, особенно в углах клетки. Поэтому мы предполагаем, что CWRA поддерживают стабилизацию содержащей ксилан клеточной стенки Klebsormidium , чтобы предотвратить коллапс клетки из-за внеклеточного замораживания. Кроме того, отдельные области толстой поперечной стенки содержат большее количество каллозы, чтобы поддерживать гибкость этой конкретной части клеточной стенки.Это подтверждает более ранние выводы Herburger и Holzinger (2015), которые сообщили об увеличении содержания каллозы после высыхания. Это может помочь водорослям противодействовать физическому давлению замораживания-обезвоживания. Несмотря на значительные усилия, окрашивание 15 различными моноклональными антителами (таблица 1) для исследования состава CWRA, нам не удалось выяснить их состав. Кроме того, наши результаты показывают, что водоросль Klebsormidium способна акклиматизироваться к холодовому стрессу через 3 недели при 4°C по показателям дыхания и фотосинтеза, которые статистически не отличались от контрольных клеток при 20°C. Эта акклиматизация сопровождается агрегацией митохондрий, дилатацией тилакоидов и статистически значимым ( p < 0,05) увеличением цистерн ЭР. При стрессе от замораживания агрегация органелл увеличивается, цистерны ЭР увеличиваются еще больше и обнаруживаются в непосредственной близости от угловой области клеточной стенки. Взаимодействие стабилизации и жесткости (CWP и CWRA) и гибкости (увеличение содержания каллозы в отдельных поперечных стенках) вместе с агрегацией органелл поддерживает метаболические функции во время стресса от охлаждения и замораживания у Klebsormidium до -4°C.Целью настоящего исследования было изучение структурных и физиологических изменений, вызванных стрессом от охлаждения и замораживания при температурах, которые Klebsormidium способен переносить. Будущие исследования могут выяснить пределы устойчивости к замораживанию Klebsormidium и то, каким образом закаливание может принести пользу клеткам.

Заявление о доступности данных

Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в статью/дополнительный материал.

Вклад авторов

PS провел большую часть экспериментов, включая экспериментальное замораживание, трехмерную электронную микроскопию и иммуно-ТЕМ. SO выполнил двумерную электронную микроскопию. GW выполнил FIB-SEM. ОБ построил морозильник. UL-M разработала исследование и руководила им. AH руководил исследованием и поставил Klebsormidium . PS написал черновик рукописи. UL-M и AH написали и отредактировали рукопись. Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

Финансирование

Настоящее исследование было поддержано Австрийским научным фондом (FWF), проект I 1951-B16 для AH, проект FWF P 30139-B32 для Gilbert Neuner, Университет Инсбрука, Австрия, и «Stiftungs- und Förderungsgesellschaft der Universität Salzburg».

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы хотели бы выразить признательность Анкуэле Андош и Корнелиусу Лютцу за отличную техническую поддержку физиологических и различных микроскопических экспериментов за их опыт в измерении содержания кислорода. Мы благодарны Еве Марии Пибергер за ручную сегментацию серии FIB-SEM. PS был связан с докторским колледжем PLUS «Междисциплинарные исследования стресса» факультета биологических наук Зальцбургского университета, Зальцбург, Австрия.

Дополнительный материал

Дополнительный материал к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2020.00873/full#supplementary-material

Каталожные номера

Аффенцеллер, М. Дж., Дарешоури, А., Андош, А., Лютц, К., и Лютц-Майндл, У. (2009). Индуцированная солевым стрессом гибель клеток одноклеточной зеленой водоросли Micrasterias denticulata . Дж. Экспл. Бот. 60, 939–954. doi: 10.1093/jxb/ern348

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Бильска-Кос, А. , Солецка, Д., Дзевульска, А., Оходски, П., Jonczyk, M., Bilski, H., et al. (2017). Низкая температура вызвала модификации в расположении пектинов клеточных стенок за счет изменения осмотического потенциала клеток листьев кукурузы ( Zea mays L.). Протоплазма 254, 713–724. doi: 10.1007/s00709-016-0982-y

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Buchner, O., Steiner, P., Andosch, A., Holzinger, A., Stegner, M., Neuner, G., et al. (2020). Новый технический подход к подготовке замороженных биологических образцов для электронной микроскопии. Растительные методы 16:48.

Академия Google

Эльстер Дж., Дегма П., Ковачик Л., Валентова Л., Шрамкова К. и Перейра А.Б. (2008). Устойчивость к замораживанию и высыханию нитчатой ​​зеленой водоросли Klebsormidium из Антарктики, Арктики и Словакии. Биология 63, 843–851.

Академия Google

Hepler, P.K., Palevitz, B.A., Lancele, S. A., Mccauley, M.M., and Lichtscheidl, I. (1990). Корковый эндоплазматический ретикулум растений. J. Cell Sci. 96, 355–373.

Академия Google

Хербургер, К., и Хольцингер, А. (2015). Локализация и количественная оценка каллозы в стрептофитных зеленых водорослях Zygnema и Klebsormidium : корреляция с устойчивостью к высыханию. Физиол клеток растений. 56, 2259–2270.

Академия Google

Хербургер, К., и Хольцингер, А. (2016). Окрашивание анилиновым синим и Calcofluor white каллозы и целлюлозы стрептофитных зеленых водорослей Zygnema и Klebsormidium . Биопроток. 6:e1969.

Академия Google

Хербургер, К., Райан, Л., Поппер, З.А., и Хольцингер, А. (2018). Локализация и субстратная специфичность трансгликаназ у харофитных водорослей связаны с развитием и морфологией. J. Cell Sci. 131:jcs203208. doi: 10.1242/jcs.203208

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Хольцингер, А. , Лютц, К., и Карстен, У. (2011). Стресс высыхания вызывает структурные и ультраструктурные изменения у аэроземной зеленой водоросли Klebsormidium crenulatum (Klebsormidiophyceae, Streptophyta), выделенной из альпийской почвенной корки. J. Phycol. 47, 591–602. doi: 10.1111/j.1529-8817.2011.00980.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Джайпаргас, Э. А., Бартон, К. А., Матур, Н., и Матур, Дж. (2015). Митохондриальная плеоморфия в растительных клетках управляется непрерывной динамикой ER. Перед. Растениевод. 6:783. doi: 10.3389/fpls.2015.00783

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Янска А., Марсик П., Зеленкова С. и Овесна Ю.(2010). Холодовой стресс и акклиматизация – что важно для корректировки метаболизма? Растение Биол. 12, 395–405. doi: 10.1111/j.1438-8677.2009.00299.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Каплан, Ф. , Льюис, Л.А., Вастиан, Дж., и Хользингер, А. (2012). Эффекты плазмолиза и осмотический потенциал двух филогенетически различных альпийских штаммов Klebsormidium (Streptophyta). Протоплазма 249, 789–804. doi: 10.1007/s00709-011-0324-z

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Карстен, У., Хербургер, К., и Хольцингер, А. (2016). Живущие в биологических сообществах почвенной корки африканских пустынь — физиологические особенности зеленых водорослей видов Klebsormidium (Streptophyta), способных справляться с высыханием, световыми и температурными градиентами. J. Физиол растений. 194, 2–12. doi: 10.1016/j.jplph.2015.09.002

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Карстен, У., и Хольцингер, А. (2012). Влияние света, температуры и высыхания на фотосинтетическую активность и вызванные засухой ультраструктурные изменения зеленой водоросли Klebsormidium dissectum (Streptophyta) из высокогорной почвенной корки. Микроб. Экол. 63, 51–63. doi: 10.1007/s00248-011-9924-6

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Карстен, У., Лютц, К., и Хольцингер, А. (2010). Экофизиологические характеристики аэроземной зеленой водоросли Klebsormidium crenulatum (Charophyceae, Streptophyta), выделенной из альпийской почвенной корки с акцентом на стресс высыхания. J. Phycol. 46, 1187–1197. doi: 10.1111/j.1529-8817.2010.00921.x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ле Галль, Х., Philippe, F., Domon, JM, Gillet, F., Pelloux, J. и Rayon, C. (2015). Метаболизм клеточной стенки в ответ на абиотический стресс. Растения 4, 112–166. doi: 10.3390/plants4010112

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Либераторе, К.Л., Дукович-Шульце, С., Миллер, М.Е., Чен, С.Б., и Кианиан, С.Ф. (2016). Роль митохондрий в развитии растений и стрессоустойчивости. Свободный радикал. Био Мед. 100, 238–256.

Академия Google

Матур, Дж., Шейх А. и Матур Н. (2018). Взаимоотношения митохондрий пероксисом у растений. Субъячейка. Биохим. 89, 417–433. дои: 10.1007/978-981-13-2233-4_18

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Макфарлейн, Х. Э., Ли, Э. К., Ван Безоувен, Л. С., Росс, Б., Росадо, А., и Сэмюэлс, А. Л. (2017). Многомасштабный структурный анализ мест контакта заводских ЭР-ПМ. Физиол клеток растений. 58, 478–484.

Академия Google

Мигес Ф., Хольцингер А., Фернандес-Марин, Б., Гарсия-Плазаола, Дж. И., Карстен, У., и Густавс, Л. (2020). Экофизиологические изменения и спорообразование: две стратегии в ответ на низкотемпературный и световой стресс у Klebsormidium cf. flaccidum (Klebsormidiophyceae, Streptophyta). J. Phycol. doi: 10.1111/jpy.12971 [Epub перед печатью].

Полнотекстовая перекрестная ссылка | PubMed Резюме | Академия Google

Михайлюк Т. , Глейзер К., Хольцингер А. и Карстен У.(2015). Биоразнообразие Klebsormidium (Streptophyta) из альпийских биологических почвенных корок (Альпы, Тироль, Австрия, Италия). J. Phycol. 51, 750–767. doi: 10.1111/jpy.12316

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Минибаева Ф., Дмитриева С., Пономарева А. и Рябовол В. (2012). Аутофагия у растений, вызванная окислительным стрессом: роль митохондрий. Завод физиол. Биохим. 59, 11–19. doi: 10.1016/j.plaphy.2012.02.013

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Нагао, М., Мацуи, К., и Уэмура, М. (2008). Klebsormidium flaccidum , харофитовая зеленая водоросль, демонстрирует акклиматизацию к холоду, которая тесно связана с накоплением совместимых растворенных веществ и ультраструктурными изменениями. Окружающая среда растительных клеток. 31, 872–885. doi: 10.1111/j.1365-3040.2008.01804.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Парротта, Л. , Фалери, К., Герьеро, Г., и Кай, Г. (2019). Холодовой стресс влияет на отложение клеточных стенок и характер роста пыльцевых трубок табака. Растениевод. 283, 329–342. doi: 10.1016/j.plantsci.2019.03.010

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Пирс, Р. С. (1999). Молекулярный анализ адаптации к холоду. Регулятор роста растений. 29, 47–76.

Академия Google

Пьеранджелини М., Рысанек Д., Ланг И., Адлассниг В.и Хольцингер, А. (2017). Наземная адаптация зеленых водорослей Klebsormidium и Zygnema (Charophyta) связана с разнообразием фотосинтетических признаков, но не с приобретением СО2. Планта 246, 971–986. doi: 10.1007/s00425-017-2741-5

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Раджашекар, С.Б., и Лафта, А. (1996). Изменения клеточной стенки и напряжение клеток в ответ на холодовую акклиматизацию и экзогенную абсцизовую кислоту в листьях и клеточных культурах. Завод физиол. 111, 605–612. doi: 10.1104/pp.111.2.605

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ринди, Ф., Михайлюк, Т. И., Слуйман, Х. Дж., Фридл, Т., и Лопес-Баутиста, Дж. М. (2011). Филогенетические взаимоотношения Interfilum и Klebsormidium (Klebsormidiophyceae, Streptophyta). Мол. Филогенет. Эвол. 58, 218–231.

Академия Google

Риппин М., Борххардт Н., Карстен У.и Беккер, Б. (2019). Акклиматизация к холоду повышает устойчивость к стрессу высыхания полярных штаммов Klebsormidium (Streptophyta). Перед. микробиол. 10:1730. doi: 10.3389/fmicb.2019.01730

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Скотт, И., и Логан, округ Колумбия (2008). Переход митохондриальной морфологии является ранним индикатором последующей гибели клеток у Arabidopsis . Новый Фитол. 177, 90–101.

Академия Google

Штехелин, Л. А. (1997). ЭР растений: динамическая органелла, состоящая из большого количества дискретных функциональных доменов. Завод J. 11, 1151–1165. doi: 10.1046/j.1365-313x.1997.11061151.x

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Старр Р.К. и Зейкус Дж.А. (1993). Utex — коллекция культур водорослей Техасского университета в Остине, список культур 1993 года. J. Phycol. 29, 1–106. doi: 10.1111/j.0022-3646.1993.00001.x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Стефано, Г., Renna, L., Lai, Y.S., Slabaugh, E., Mannino, N., Buono, R.A., et al. (2015). Гомеостаз ER-сети имеет решающее значение для потоков эндосом растений и эндоцитоза. Сотовый Дисков. 1:1503.

Академия Google

Стефановска М., Курас М., Кубацка-Зебальска М. и Каперска А. (1999). Низкая температура влияет на характер роста листьев и структуру клеточных стенок озимого рапса ( Brassica napus L., var. oliefera L. ). Энн. Бот. Лонд. 84, 313–319. doi: 10.1006/anbo.1999.0924

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Штайнер П., Лукнер М., Кершбаум Х., Ваннер Г. и Лютц-Майндл У. (2018). Ионный стресс вызывает слияние митохондрий в трехмерные сети: исследование электронной томографии. J. Структура. биол. 204, 52–63. doi: 10.1016/j.jsb.2018.06.010

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Такахаши Д., Горка М., Эрбан А., Граф А., Копка Дж., Zuther, E., et al. (2019). Как холодная, так и отрицательная акклиматизация вызывают модификацию клеточной стенки и изменения внеклеточного протеома у Arabidopsis thaliana . Науч. Респ. 9:2289. doi: 10.1038/s41598-019-38688-3

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Танака Х., Сато М., Огасавара Ю., Хамашима Н., Бюхнер О., Хользингер А. и др. (2017). Агрегация хлоропластов во время реакции на холод у печеночников Marchantia polymorpha . J. Завод Res. 130, 1061–1070. doi: 10.1007/s10265-017-0958-9

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Вартапетян Б.Б., Андреева И.Н., Генерозова И.П., Полякова Л.И., Маслова И.П., Долгих Ю.И., и соавт. (2003). Функциональная электронная микроскопия в исследованиях реакции и адаптации растений к анаэробному стрессу. Энн. Бот. 91, 155–172. doi: 10.1093/aob/mcf244

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ваннер, Г., Шафер, Т., и Лютц-Майндл, У. (2013). Трехмерный анализ диктиосом и мультивезикулярных телец зеленой водоросли Micrasterias denticulata с помощью томографии FIB/SEM. J. Структура. биол. 184, 203–211. doi: 10.1016/j.jsb.2013.10.003

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Велхен, Э., Гарсия, Л., Мансилла, Н., и Гонсалес, Д. Х. (2014). Координация митохондриального биогенеза растений: идти в ногу с клеточными потребностями. Перед.Растениевод. 4:551. doi: 10.3389/fpls.2013.00551

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Стресс улучшает обучение с подкреплением без моделей только после отрицательного результата

Это исследование было одобрено Наблюдательным советом Сеульского национального университета (SNUIRB), и все участники дали письменное информированное согласие.

Участники

В этом исследовании приняли участие 56 здоровых студентов бакалавриата (29 женщин, 27 мужчин; возраст 20 лет).36 ± 1,91; индекс массы тела 21,00 ± 2,52). Из участия исключались лица, которые соответствовали любому из следующих критериев: травма головы в анамнезе, лечение психотропными препаратами, стероидами или любыми другими лекарствами, влияющими на центральную нервную систему или эндокринную систему, текущее заболевание, самоотчет о психическом расстройстве. или злоупотребление психоактивными веществами, наличие текущего стрессового эпизода или серьезного события в жизни. Также из исследования были исключены курильщики и женщины, принимающие оральные контрацептивы, из-за возможного влияния никотина и оральных контрацептивов на нейроэндокринную реакцию на стресс [18, 19].Хотя пол мог по-разному влиять на реакцию гипоталамуса-гипофиза-коры надпочечников на психосоциальный стресс, было продемонстрировано, что не было различий в реакции кортизола слюны между мужчинами и женщинами в лютеиновую фазу [18]. Поэтому в это исследование были включены женщины в поздней лютеиновой фазе (после 21-го дня и до начала следующего цикла) менструального цикла. Участников попросили воздержаться от кофеина и физических упражнений в течение 6 часов до участия, а затем случайным образом распределили в стрессовые и контрольные условия.Возраст ( t ₅₀ = 1,23, p = 0,226), индекс массы тела ( t ₅₀ = -0,20, p = 0,846) и воспринимаемый стресс в течение последнего месяца ( t ₅₀ = 0,71, p = 0,483), оцененные с помощью шкалы воспринимаемого стресса [20], существенно не отличались между участниками в двух условиях. Четверо участников (по два от каждого условия), которые продолжали выбирать одно и то же действие более чем в 95% проб во время выполнения задания, были исключены из анализа, так как это отражало отсутствие обучения.

Поведенческая задача

Мы использовали двухэтапную задачу обратного обучения, которая объединила парадигму обратного обучения с двухэтапной марковской задачей принятия решения, разработанной Доу и его коллегами [22] (см. подробности). Двухэтапная марковская задача принятия решений использовалась, чтобы различить вклад RL без модели и на основе модели в выбор действия. Мы также приняли парадигму обратного обучения, чтобы участники столкнулись с меняющейся средой, и их выбор в ответ на дискретное изменение окружающей среды можно было исследовать.Задание состояло из шести блоков по 40 попыток, всего 240 попыток без перерывов. Не было явного сигнала для перехода блока.

(A) Структура задачи. Выбор на первом этапе вероятностно приводит к различным состояниям на втором этапе. Каждый стимул на втором этапе приводил либо к 0, либо к 100 баллам с разной вероятностью. (B) Хронология событий в одном испытании. (C) Вероятности вознаграждения четырех вариантов на этапе 2.

Каждое испытание требовало двух последовательных выборов.На первом этапе («состояние 1») участники выбирали между двумя вариантами, представленными фигурами, похожими на тибетские иероглифы, в зеленых прямоугольниках. Выбор на первом этапе вероятностно привел к одному из двух состояний второго этапа («состояние 2» и «состояние 3»), представленных разными цветами (розовым и синим). Каждый из вариантов первого этапа был тесно связан (с вероятностью 70 %) с одним из двух состояний второго этапа, и это обстоятельство фиксировалось на протяжении всего эксперимента (). На втором этапе испытуемые делали еще один бинарный выбор, и этот второй выбор был связан либо со 100, либо с 0 баллами в зависимости от заранее определенной вероятности вознаграждения.Назначение двух цветов (розового или синего) для состояний 2 и 3 уравновешивалось между субъектами, а расположение двух вариантов в каждом состоянии рандомизировалось от испытания к испытанию.

Вероятности вознаграждения для двух вариантов на втором этапе менялись от блока к блоку с использованием парадигмы обратного обучения, как показано на рис. В первом блоке оба состояния 2 и 3 имели один вариант, приводящий к 60% вероятности получения награды, а другой — к 20% вероятности. Следовательно, в блоке 1 оба варианта на первом этапе были одинаково благоприятны.Однако в блоке 2 два варианта в состоянии 2 получили вознаграждение в размере 80% и 20% соответственно, а оба варианта в состоянии 3 получили вознаграждение в размере 20%. Поэтому выгоднее было выбрать вариант, более тесно связанный с состоянием 2 на первом этапе. В следующих блоках выгодный выбор на первом этапе («состояние 1») чередовался, поскольку вероятности вознаграждения вариантов переключались между двумя состояниями этапа 2 после каждого перехода блока.

Перед экспериментом участников проинформировали, что вероятности вознаграждения за разные варианты выбора на втором этапе будут меняться, а вероятности переходов из первого состояния в разные состояния на втором этапе были фиксированными на протяжении всего эксперимента. Для ознакомления участников со структурой задания было проведено практическое занятие. Тренировочное занятие состояло из тридцати попыток, по пять попыток в каждом блоке.

Компьютерное моделирование

Мы использовали модель RL, чтобы охарактеризовать динамику выбора между испытаниями. Были предложены различные алгоритмы RL для прогнозирования вознаграждения за каждый вариант. В этом исследовании мы приняли модифицированную версию модели Q-обучения, поскольку она работала лучше, чем стандартная модель RL, для учета выбора поведения [23].В модели Q-обучения значения действия обновляются с помощью простого правила Рескорла-Вагнера (RW) [24], поэтому для простого бинарного выбора функция значения V _t (x) для варианта x может обновляться после каждого испытания t в соответствии со следующим:

V

V _{T +1 T +1} ( x ) = t _{t ( x ) + α ( R T — v т ( x ))}

(1)

где R _t означает исход действия при испытании t. Это эквивалентно следующему.

V _{T +1 T +1} ( x ) = (1 — α ) v _T ( t ( α R _T

(2)

В настоящем исследовании эта модель RL была модифицирована для количественной оценки поведения выбора без модели и на основе модели на первом этапе задачи [23, 25]. В модели значения действий обновляются в соответствии со следующим:

Vt+1(x)={(1−α)Vt(x)+ακ+, если вознаграждается, (1−α)Vt(x)+ακ−, если не вознаграждается

(3)

где α — скорость обучения для выбранного варианта.Параметр κ ₊ представлял собой силу подкрепления результатом вознаграждения, а κ _{_} представлял силу наказания результатом отсутствия вознаграждения. В настоящем исследовании эта модель была расширена, чтобы по-разному обновлять функцию ценности для выбора на первом этапе в зависимости от типа перехода состояния в одном и том же испытании. А именно, член возмущения κ был продублирован, чтобы отразить компоненты, ожидаемые от безмодельной (κ ^mf ) и основанной на модах (κ ^мб ) модели RL.Например, если вознаграждение происходило после обычного перехода, функция ценности варианта, выбранного участниками на первом этапе («состояние 1»), обновлялась на κ ₊ ^mf + κ ₊ ^mb , так как в в этом случае как алгоритмы без моделей, так и алгоритмы на основе моделей будут приписывать положительный результат выбранному действию. Напротив, если вознаграждение происходило после редкого перехода, функция значения для варианта, выбранного на первом этапе («состояние 1»), обновлялась на κ ₊ ^mf , а функция значения для невыбранного варианта обновлялась на κ ₊ ^mb , так как в этом случае алгоритмы без моделей приписывают этот положительный результат выбранному варианту, а обучение на основе моделей приписывает положительный результат невыбранному варианту. Точно так же, если вознаграждение не происходило после общего перехода, функция ценности выбранного варианта обновлялась на κ _{_} ^mf + κ _{_} ^mb . Если после редкого перехода вознаграждения не было, функция значения для выбранного варианта обновлялась на κ _{_} ^mf _, , а функция значения для другого варианта обновлялась на κ _{_} ^mb .

Мы обнаружили, что у некоторых испытуемых значения параметров α и κ, оцененные с помощью приведенных выше уравнений, не были стабильными, поскольку значение κ могло увеличиваться, чтобы компенсировать исчезающе малое значение скорости обучения.Поэтому параметры модели оценивались с использованием следующего уравнения, которое математически эквивалентно (3).

Vt+1(x)={γVt(x)+Δ+,если вознаграждается,γVt(x)+Δ−,если не вознаграждается

(4)