观察植物细胞3D结构的新方法

【字体: 时间:2014年06月11日 来源:生物通

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  最近,美国中田纳西州立大学(MTSU)的A. Bruce Cahoon博士及其同事,采用一种新方法观察植物细胞,他们将离子束的精度与电子束的成像能力相结合,在微米级分辨率放大图像。相关研究结果发表在2014年6月刊的《Applications in Plant Sciences》杂志。

  

生物通报道:最近,美国中田纳西州立大学(MTSU)的A. Bruce Cahoon博士及其同事,采用一种新方法观察植物细胞,他们将离子束的精度与电子束的成像能力相结合,在微米级分辨率放大图像。纳米元件科学家,使用聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)已经有几十年的时间,但直到最近,生物学家才开始探索它的性能。MTSU的研究人员首次对其性能进行优化,用于植物细胞成像。

他们得到了漂亮的植物细胞器灰度图像。大的、深色的液泡被光线镶了一层边,椭圆形的叶绿体紧贴在厚厚的、光滑的细胞壁上。丰满的浆果状脂质体围绕在圆形细胞核的周围。内质网、蛋白体和其他独特形状的结构挤在一起,像细胞内的柔性瓷砖。当研究人员将开发出的方法用于拟南芥的种子、叶、茎、根和花瓣细胞类型作图时,也获得了极好的选图。Cahoon及其同事,将相关研究结果发表在2014年6月刊的《Applications in Plant Sciences》杂志。

Cahoon解释说:“我们参加了在MTSU举办的一个关于FIB-SEM及其功能的开放展示,我们立即想到将其应用于植物组织观察。”离子束将样本切成薄片,每一片都被电子束捕获到一幅图像。100多份切片的图像,只有几纳米厚,研究人员将其结合起来,构建一幅细节丰富的三维图像。

Cahoon说:“FIB-SEM某些方面是非常有吸引力的,但我们确实不得不退后一步,革新技术用于植物组织。”幸运的是,研究人员能够从FIB-SEM用于动物组织的工作中吸取经验。动物组织流程可作为基础,来修改特定的植物技术。

Cahoon称:“只出现在二维视图中的亚细胞结构三维可视化,是非常令人满意的。有些组织就如同你所想象的那样,但是还有一些令人惊讶的组织,例如,花瓣细胞液泡中的无定形聚合物,在以前的电子显微镜研究中已经解散了。这些结构的三维视图显示出一个正常模式,出现在这项研究的几乎每一个花瓣叶肉细胞中。”

电子显微镜产生的图像,放大倍数和分辨率比光学显微镜产生的图像更高,因为电子比可见光具有更短的波长。离子束能穿透组织样本,能以前所未有的精确度将样本切成薄片。将这两种技术结合起来,可以提供其他方法无法实现的独特图像。

但是,所有美好的事物往往都有两面性,FIB-SEM也不例外。这个过程时间非常的密集,需要昂贵的专用仪器。组织样本必须经过高度特异性的固定程序,以固定它们用于电子显微镜成像,非导电的生物细胞需要一个导电涂层,例如铂或金合金。

对于MTSU的研究小组来说,耗时的成像和昂贵的设备并没有白费,他们得到了很好的结果。“由内部结构的扩展视图所引起的新问题,还需要我们去解决,此外,既然我们知道如何使用这种技术,我们就可以开始扩大光合生物的种类,至少在最初阶段,探索它们的细胞结构。”

开发用于种子、叶、茎、根和花瓣细胞类型成像的新FIB-SEM方法,将有助于扩大解剖学家了解细胞器性质、细胞和植物发育的现有工具。植物细胞内部的独特视图,可以揭示细胞器结构和分布的前所未有的一面。这项工作仅仅是科学领域中技术进步的一个例子,在这个例子中,材料科学为其他领域的研究人员打开了一扇新的大门。

(生物通:王英)

延伸阅读:用于高分辨率细胞成像的新分子

生物通推荐原文摘要:
3D Plant Cell Architecture ofArabidopsis thaliana(Brassicaceae) Using Focused Ion Beam–Scanning Electron Microscopy
•Premise of the study: Focused ion beam–scanning electron microscopy (FIB-SEM) combines the ability to sequentially mill the sample surface and obtain SEM images that can be used to create 3D renderings with micron-level resolution. We have applied FIB-SEM to study Arabidopsis cell architecture. The goal was to determine the efficacy of this technique in plant tissue and cellular studies and to demonstrate its usefulness in studying cell and organelle architecture and distribution.

•Methods: Seed aleurone, leaf mesophyll, stem cortex, root cortex, and petal lamina from Arabidopsis were fixed and embedded for electron microscopy using protocols developed for animal tissues and modified for use with plant cells. Each sample was sectioned using the FIB and imaged with SEM. These serial images were assembled to produce 3D renderings of each cell type.

•Results: Organelles such as nuclei and chloroplasts were easily identifiable, and other structures such as endoplasmic reticula, lipid bodies, and starch grains were distinguishable in each tissue.

•Discussion: The application of FIB-SEM produced 3D renderings of five plant cell types and offered unique views of their shapes and internal content. These results demonstrate the usefulness of FIB-SEM for organelle distribution and cell architecture studies.

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