在植物科學(xué)中,研究人員面臨著許多不同、具有挑戰(zhàn)性的顯微學(xué)任務(wù): 從形態(tài)分析到功能研究,從分類學(xué)和行為學(xué)到生理學(xué)研究。各種不同的顯微技術(shù)被應(yīng)用于植物科學(xué)。在植物學(xué)領(lǐng)域,光學(xué)顯微鏡的應(yīng)用很廣泛:從使用立體和變焦顯微鏡來觀察、歸類和篩選樣品,再到成像和出報(bào)告。
隨著熒光蛋白的使用增加,熒光成像技術(shù)已經(jīng)成為一個重要的應(yīng)用。此外,電子顯微鏡能夠提供高分辨率的觀察, 透射電子顯微鏡(TEM)能夠觀察薄片樣品的結(jié)構(gòu),而掃描電鏡(SEM)常用來觀察樣本表面的形貌。多年來,植物科學(xué)和掃描電鏡一直是密切相關(guān)的。這篇博客將會告訴你如何使用掃描電鏡,以及它的優(yōu)勢和面臨的挑戰(zhàn)。需要注意的是,相比工業(yè)制造中的應(yīng)用,掃描電鏡不僅可以用于研究解剖學(xué)和生理學(xué),還可以分析植物成分,如纖維。
圖1:常春藤葉子的掃描電鏡圖
掃描電鏡和植物解剖學(xué)
使用掃描電鏡(SEM)對解剖學(xué)進(jìn)行研究,其中使用二次電子探頭(SED)成像優(yōu)勢明顯。閱讀本博客,了解更多有關(guān)不同探頭的信息。利用二次電子成像可以有效地觀察植物各種結(jié)構(gòu),如植物器官,或表面的毛狀體等。
植物樣品是不導(dǎo)電樣品,且一般情況下都含一定的水分,因此往往需要進(jìn)行復(fù)雜的脫水處理,并噴金,這樣在使用掃描電鏡觀察時才能避免樣品充電。另一種方法,除了使用背散射探頭(BSD)成像,還可以在較低的真空模式下觀察。除此之外,另一種常用的技術(shù)為激光共聚焦掃描顯微鏡(CLSM)。但是,這種技術(shù)經(jīng)常面臨的問題是,膜染料往往不能輕易滲透組織,因此并不是所有的植物都獲得綠色熒光蛋白(GFP)轉(zhuǎn)染。
De Craene等人 [1] 有效地證實(shí)了如何在植物材料上使用二次電子探頭成像。他們觀察了早期花粉的發(fā)育和兩性木瓜器官的分化,并與擬南芥的生長發(fā)育過程進(jìn)行比較。
在Talbot和White [2] 發(fā)表的一篇文章中,他們直接使用掃描電鏡的背散射探頭(BSD)對未噴金的植物細(xì)胞壁樣品直接觀察。這種方法制樣過程非常簡單,通過調(diào)節(jié)亮度和對比度,可以使擬南芥的細(xì)胞壁能夠更容易地被檢測和分析。
圖2: 飛納電鏡下木材的背散射電子圖像
植物樣品往往都要進(jìn)行復(fù)雜的脫水處理過程——固定、脫水和臨界點(diǎn)干燥,即使這樣,樣品形狀還是會有一定的收縮。對于這個問題,一個潛在的解決方案是使用一個能夠控制溫度的樣品臺,將溫度設(shè)置在零下十幾或零下二十幾度,使得含水樣品迅速凝結(jié)成固體,然后在背散射模式下直接進(jìn)行觀察。
SEM在植物科學(xué)領(lǐng)域的另一個應(yīng)用是分析天然纖維,因?yàn)槔w維材料的市場是非常巨大的。Fang等人 [3] 詳細(xì)地解釋了這些纖維是如何從大麻植物中獲得并被廣泛應(yīng)用的。
大麻纖維用于生產(chǎn)制造繩子、紙張、帆布和衣服等材料長達(dá)好幾個世紀(jì)。大麻纖維經(jīng)久耐用,直徑為16 μm到50 μm。zui近,它們甚至被用來提高汽車行業(yè)油漆的性能。為了增強(qiáng)纖維的質(zhì)量,先脫膠處理,然后使用飛納臺式掃描電鏡(Phenom Desktop SEM)進(jìn)行檢測分析。
我們使用掃描電鏡觀察植物,zui近發(fā)現(xiàn)一些有趣的現(xiàn)象,有些樹葉表面呈星形狀,如圖3所示。而且它們的尺寸只有100 µm,肉眼是難以辨別的。
圖3:飛納電鏡下植物星狀葉片組織的SEM圖像
現(xiàn)在,掃描電鏡在植物方面的應(yīng)用日益廣泛,其主要優(yōu)點(diǎn)是利用它可以獲得植物組織的立體結(jié)構(gòu)圖像,較光學(xué)顯微鏡分辨率更高,放大范圍更廣。
參考文獻(xiàn)
[1] Carpeloidy in flower evolution and diversification: a comparative study in Carica papaya and Arabidopsis thaliana, De Craene et al., Annals of Botany 107:1453-1463 (2011)
[2] Cell surface and cell outline imaging in plant tissues using the backscattered electron detector in a variable pressure scanning electron microscope. Talbot and White, Plant Methods (2013), 9:40
[3] An Efficient Method of Bio-Chemical Combined Treatment for Obtaining High-Quality Hemp Fiber. Fang et al. Bioresources (2017)et al. BioResources (2017)
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