扫描电镜在植物科学中的应用

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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。

DeCraene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植物中获得并被广泛应用的。

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。纤维经久耐用，直径为16 μm到50 μm。Z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 DesktopSEM）进行检测分析。

我们使用扫描电镜观察植物，Z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] Carpeloidyinflowerevolutionanddiversification:acomparativestudyinCaricapapayaandArabidopsisthaliana,DeCraeneetal.,AnnalsofBotany107:1453-1463(2011)

[2] Cellsurfaceandcelloutlineimaginginplanttissuesusingthebackscatteredelectrondetectorinavariablepressurescanningelectronmicroscope.TalbotandWhite,PlantMethods(2013),9:40

[3] AnEfficientMethodofBio-ChemicalCombinedTreatmentforObtainingHigh-QualityHempFiber. Fangetal. Bioresources(2017)etal.BioResources(2017)

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2004-08-10