顯微成像技術在植物學研究中的應用

瀏覽次數：3037　發布日期：2022-8-3　來源：明美

一、植物學

植物在我們身邊無處不在，綠色植物光合作用產生的氧氣供養維系著人類的生存，人類的衣食住行也隨處可見植物的身影，從開始對植物形態上的簡單認識，隨著后來顯微工具和理論認識的發展，逐漸開始了植物解剖學、植物生理學、植物胚胎學、植物遺傳學等不同的研究，使人類對植物的認識更加深刻。

二、顯微成像技術在植物學研究中的應用

（1）顯微鏡下的植物型態植物解剖

從解剖學特點去研究植物個體構造、發育等特點，通常是借助體式顯微鏡或常規的生物顯微鏡，從比較宏觀（相對于細胞大小而言）的角度對活體植物或切片植物組織進行觀測，從而研究植物的器官、形態構造和發育特點。

體視顯微鏡下的葉子

體式顯微鏡下的花房，黃色為花粉

花萼組織切片顯微觀察

花芽切片觀察

（2）顯微鏡下的植物生理

包括呼吸生理、光合生理等，如觀測樹葉的氣孔結構去研究呼吸生理，氣孔是吸收外界CO₂并吐出O₂的重要通道，同時影響著光合作用和蒸騰作用，一般白天開，晚上閉。其開閉受保衛細胞失水吸水控制，一般吸水后保衛細胞膨脹彎曲，氣孔打開；失水后保衛細胞重新伸直，氣孔關閉。

葉子的氣孔

此外，這一方向還包括對植物細胞的研究，觀察外界因素對植物細胞形態的影響等。

MF23+MSX2拍攝的明場狀態下的植物根須切片，可見植物細胞

（3）顯微鏡下的植物基因學

植物細胞有自發熒光現象，包括細胞壁纖維素和木質素的淡綠色自發熒光（約540nm），以及葉綠體的藍色和紅色自發熒光（兩種激發波段）。

MF23+MSX2拍攝的熒光狀態下的植物根須切片（自發熒光）

目也可應用外來的植物病毒表達載體（如GFP等），通過農桿菌侵染植株，使植株細胞可以表達GFP，使用特定波長的激發光，可以觀察到相應的熒光蛋白，此種方式可用于活體檢測，無需預處理，且植物本身不含此種綠色熒光，可避免假陽性。這種方式，可以應用與篩選出高基因表達的植物，可提高農作物產量、質量，并不斷適應人們對糧食的更高需求。

GFP熒光和自發熒光同時激發

在植物學研究中，有一類植物可稱為植物界中的“果蠅”，就是擬南芥，它是一種模式生物，具有發育快、個體小、可大量繁殖、結構簡單、易于觀察內部結構和細胞、嚴格的閉花自花傳粉、穩定遺傳等優點。擬南芥基因幫助水稻增產；有助于人類疾病的原理研究，擬南芥中生長素信號傳導途徑對認識人類某些疾病的發病機理提供幫助。它在糧食增產、農作物耐逆、環境保護等域做出了重要貢獻。

在異源染色質鑒定、染色體物理圖譜構建、染色體RNA和基因組進化研究等域，還會使用FISH熒光原位雜交技術對植物基因進行標記，但相關技術和儀器要求較高，目還不算一種普遍的研究手段。

植物的FISH熒光原位雜交

三、顯微成像技術在植物學中的挑戰

（1）成像目標尺寸變化大

和模式生物研究類似，植物學研究很多時候會需要對植物宏觀型態和微觀型態進行成像，比如GFP標記在莖葉中的分布就需要比較低倍、宏觀的成像，需要用到體視熒光顯微鏡或類似解決方案，而細致到細胞層面則需要用到切片搭配生物顯微鏡，因此視乎需要，可能需要1臺或2臺顯微鏡。

（2）觀察植物熒光時減少自發熒光的干擾

在觀察植物等多細胞生物時，一般利用熒光蛋白選擇性地標示目標細胞或結構，在植物熒光觀察中，若作為觀察目標的細胞或蛋白質的信號微弱時，自身熒光會干擾識別，尤其在觀察植物細胞時，細胞壁、葉綠體等發出自身熒光的物質是造成熒光模糊、重疊干擾的典型因素。使用合適的濾光片對于改善自發熒光干擾很有幫助，而且比較簡單容易實現，例如在植物細胞觀察中，可以使用帶通發射濾光片過濾細胞壁形成的黃色熒光，從而在抑制熒光模糊等自身熒光影響的情況下進行熒光觀察。

（3）活體觀察時紫外光對樣本和儀器的損傷

在觀察GFP熒光現象時，通常會使用紫外波段的光進行激發，但是這一波長的光長時間照射對細胞損傷較大，同時對顯微鏡的光學鍍膜也有一定的損傷，尤其對落射熒光的體視顯微鏡有巨大傷害。一種應對思路是將紫外波段的激發光作為單獨的外置光源，可以進行獨立調節控制，避免高強度長時間的照射造成樣本和光學鍍膜損傷，另一種思路是使用紫色V波段取代紫外線作為激發光源。

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