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扫描电镜在植物科学中的应用

 发布时间:2017-12-12 点击量:3262

在植物科学中,研究人员面临着许多不同、具有挑战性的显微学任务: 从形态分析到功能研究,从分类学和行为学到生理学研究。各种不同的显微技术被应用于植物科学。在植物学领域,光学显微镜的应用很广泛:从使用立体和变焦显微镜来观察、归类和筛选样品,再到成像和出报告。

 

随着荧光蛋白的使用增加,荧光成像技术已经成为一个重要的应用。此外,电子显微镜能够提供高分辨率的观察, 透射电子显微镜(TEM)能够观察薄片样品的结构,而扫描电镜(SEM)常用来观察样本表面的形貌。多年来,植物科学和扫描电镜一直是密切相关的。这篇博客将会告诉你如何使用扫描电镜,以及它的优势和面临的挑战。需要注意的是,相比工业制造中的应用,扫描电镜不仅可以用于研究解剖学和生理学,还可以分析植物成分,如纤维。

 

图1:常春藤叶子的扫描电镜图

 

扫描电镜和植物解剖学

 

使用扫描电镜(SEM)对解剖学进行研究,其中使用二次电子探头(SED)成像优势明显。阅读本博客,了解更多有关不同探头的信息。利用二次电子成像可以有效地观察植物各种结构,如植物器官,或表面的毛状体等。

 

植物样品是不导电样品,且一般情况下都含一定的水分,因此往往需要进行复杂的脱水处理,并喷金,这样在使用扫描电镜观察时才能避免样品充电。另一种方法,除了使用背散射探头(BSD)成像,还可以在较低的真空模式下观察。除此之外,另一种常用的技术为激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)。但是,这种技术经常面临的问题是,膜染料往往不能轻易渗透组织,因此并不是所有的植物都获得绿色荧光蛋白(GFP)转染。

 

De Craene等人 [1] 有效地证实了如何在植物材料上使用二次电子探头成像。他们观察了早期花粉的发育和两性木瓜器官的分化,并与拟南芥的生长发育过程进行比较。

 

在Talbot和White [2] 发表的一篇文章中,他们直接使用扫描电镜的背散射探头(BSD)对未喷金的植物细胞壁样品直接观察。这种方法制样过程非常简单,通过调节亮度和对比度,可以使拟南芥的细胞壁能够更容易地被检测和分析。

 

图2: 飞纳电镜下木材的背散射电子图像

 

植物样品往往都要进行复杂的脱水处理过程——固定、脱水和临界点干燥,即使这样,样品形状还是会有一定的收缩。对于这个问题,一个潜在的解决方案是使用一个能够控制温度的样品台,将温度设置在零下十几或零下二十几度,使得含水样品迅速凝结成固体,然后在背散射模式下直接进行观察。

 

SEM在植物科学领域的另一个应用是分析天然纤维,因为纤维材料的市场是非常巨大的。Fang等人 [3] 详细地解释了这些纤维是如何从大麻植物中获得并被广泛应用的。

 

大麻纤维用于生产制造绳子、纸张、帆布和衣服等材料长达好几个世纪。大麻纤维经久耐用,直径为16 μm到50 μm。zui近,它们甚至被用来提高汽车行业油漆的性能。为了增强纤维的质量,先脱胶处理,然后使用飞纳台式扫描电镜(Phenom Desktop SEM)进行检测分析。

 

我们使用扫描电镜观察植物,zui近发现一些有趣的现象,有些树叶表面呈星形状,如图3所示。而且它们的尺寸只有100 µm,肉眼是难以辨别的。

 

图3:飞纳电镜下植物星状叶片组织的SEM图像

 

现在,扫描电镜在植物方面的应用日益广泛,其主要优点是利用它可以获得植物组织的立体结构图像,较光学显微镜分辨率更高,放大范围更广。

 

参考文献

 

[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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