利用植物细胞的发光特性捕捉到令人惊叹的图像

玉米的荧光模式

甲醛固定改善了玉米(Zea mays)叶片横截面组织的荧光模式。用多聚甲醛固定溶液处理后,表皮、毛状体、木质部、韧皮部和大疱状细胞产生了明显的蓝色/绿色荧光。相比之下,在叶片横截面的叶肉和束鞘细胞中观察到叶绿素的红色自荧光。本样品是使用甲醛固定和共聚焦成像技术制备的,该技术在本期的《藻类到被子植物:用于快速可视化不同类群间植物解剖的自荧光》中描述了Pegg等人。甲醛固定的Viridiplantae类群样本,如玉米可以产生有用的结构数据,而不需要额外的组织学染色或清除。此外,图像采集只需要最低限度的专用设备,如荧光显微镜。作者:蒂莫西·j·佩吉

自从安东尼·范·列文虎克通过他特制的显微镜发现了大量以前看不见的细菌和原生动物以来,科学家们已经取得了很大的进展。细胞、细胞器、蛋白质甚至分子的结构从此在生命树中被阐明。然而,尽管有了这些进步,全面绘制微观世界的障碍仍然存在。在显微镜下观察组织和细胞成分之前,必须先用染料和固定剂染色,并经过漫长的制备过程。

发表在杂志上的一项新研究中植物科学中的应用在美国,科学家们通过利用植物生命树中物种组织的自然自发荧光来避免标本染色的需要。

“我们的工作为植物样品的制备和可视化提供了一种具有成本效益的通用方案,它同样适用于大型研究机构和小型植物科学小组,”玛丽埃塔学院的访问助理教授、该研究的主要作者蒂莫西·佩格博士说。

当植物和动物的某些组织类型吸收光时,它们原子中的电子就会得到能量的震动,使它们进入激发态。在植物叶子中,这些电子变得非常不稳定,以至于它们从原子中挣脱出来,被植物用来进行光合作用。在其他组织中,多余的能量以低频光的形式重新释放出来,亮度足以被专门的显微镜检测到。

自体荧光并不总是被视为一件好事。在研究人员必须使用染色剂来可视化特定结构的情况下,附近组织的发光特性会通过降低不同细胞类型之间的对比度而受到干扰。

但它也可能是一种不可或缺的发现资源。自体荧光已经被用于检测早期癌症,以及其他疾病和病理。它被用于研究昆虫如何用舌头和触角来品尝食物,蜥蜴尾巴再生的机制,以及分析海洋环境中微观浮游生物的多样性。

自荧光在植物中也同样有用,从给予木本植物稳定性的坚硬组织,到覆盖孢子和花粉的吸水残留物,再到植物为抵御潜在捕食者而产生的各种有毒化合物库,它都能体现出来。

然而,到目前为止,研究人员还缺乏一种适用于所有人的检测植物中自动荧光的方法。考虑到陆地上有近50万种植物和藻类,缺乏一个统一的标准方法是可以理解的,但佩吉和他的同事们并没有被吓倒。他们从几个关键的植物类群中选择了12个物种,这些植物类群在超过5亿年的进化历史中彼此分离,包括松树、苔藓植物、开花植物和藻类。

利用这些代表,他们开发了一种经济有效的组织保存方法,不需要染色或染料。

虽然自体荧光通常可以用共聚焦显微镜直接观察到,但它也可以用不同的固定物诱导或增强,包括醇、乙醇和称为醛的化合物。佩格和他的同事们选择了其中最有效的五种来测试他们的植物标本。在固定液中浸泡24小时后,这些植物被冲洗,切成人类头发的宽度,并安装在一个透明的载玻片上进行观察。

当研究人员通过显微镜观察时,植物细胞和细胞器的微缩世界变得清晰可见。坚硬的细胞壁线条与里面紧密排列的叶绿素形成浅浮雕。通过聚焦蛋白质发出的特定波长的光,他们可以区分细胞核的密集特征和在细胞间迂回前进的水和糖传导组织。

大多数固定剂在具有代表性的植物中表现良好,取得了惊人的效果,但藻类被证明是一个例外。大多数陆地植物都有厚实的支撑细胞壁,有助于防止水分流失,同时提供结构支撑,这是藻类所缺乏的。由于其脆弱的细胞支架,乙醇和酒精固定物迅速穿透海藻和研究中使用的唯一的苔类植物(一种与苔藓密切相关的植物)的细胞壁,导致细胞器褶皱和变形。对于这些标本,佩格建议坚持使用醛固定剂或减少标本准备阶段所用的时间。

大多数研究实验室也没有高倍的共聚焦显微镜来观察微小的细胞结构,而是按小时付费使用机构提供的设备,佩格和他的同事希望他们的协议可以解决这个问题。

“我们简单的样品制备技术可以减少研究人员在高级显微镜上观察样品所需的时间,”迈阿密大学生物学助理教授、该研究的资深作者罗伯特·贝克博士说。yabo124

在这项研究中使用的所有化学试剂和试剂都同样便宜且容易获得,这意味着研究机构中的几乎任何人都可以使用这项协议来研究植物中的亚细胞相互作用。

参考文献:“藻类到被子植物:用于快速可视化不同类群中的植物解剖的自荧光”,Timothy J. Pegg, Daniel K. Gladish和Robert L. Baker, 2021年7月2日,植物科学中的应用
DOI: 10.1002 / aps3.11437

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