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在植物细胞分裂研究中，为探究肌动蛋白微丝（AFs）在细胞板形成初期的定位与作用，研究人员利用深度学习图像恢复技术对烟草 BY-2 细胞进行 4D 成像。结果发现不同 AFs 探针标记的 AFs 定位不同，该研究为揭示细胞板形成机制提供了新视角。
在植物的生长过程中，细胞分裂就像一场有序的 “生命之舞”，而细胞板的形成则是这场舞蹈中的关键环节。细胞板会在细胞分裂时出现，它就像一堵逐渐筑起的 “墙”，把一个细胞分成两个新的细胞。在这个过程里，有一群 “小帮手” 起着重要作用，那就是由微管（MTs）、肌动蛋白微丝（AFs）、膜以及相关蛋白组成的成膜体（phragmoplast）。不过，一直以来，AFs 在细胞板形成初期的具体位置和作用都充满了谜团，就像隐藏在迷雾中的宝藏，等待着科学家们去探索发现。为了揭开这些谜团，来自日本山口大学、熊本大学和东北大学等机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在《Plant Cell Reports》上，为我们深入了解植物细胞分裂的奥秘提供了重要线索。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是利用不同的荧光蛋白标记技术，让烟草 BY-2 细胞中的 MTs 和 AFs 能够发出荧光，便于观察；其次，使用深度学习（deep learning） - 基于图像恢复技术，对获取的图像进行处理，提升图像质量；此外，通过显微镜对细胞进行三维时间推移（4D）成像观察，记录细胞变化过程。
研究结果
- 图像恢复模型的准确性：研究人员训练了基于深度学习的图像恢复模型。他们发现，训练图像的质量和数量对模型的准确性影响很大。质量越好、数量越多的训练图像，模型恢复图像的准确性就越高。例如，用 100 组训练图像训练的模型，对 50ms 曝光时间拍摄的低质量图像进行恢复后，得到的图像与 2000ms 长曝光拍摄的高质量图像很相似。这表明，这个模型可以在减少曝光时间的情况下，实现高分辨率的活细胞成像，降低对烟草 BY-2 细胞的损伤129。
- 图像恢复对 3D 重建图像质量的影响：将图像恢复模型应用到观察 AFs 在细胞板形成初期（早期末期）的动态变化中，并对特定时间点的 Z 堆栈图像进行 3D 重建。结果显示，在早期末期，经过图像恢复后，Lifeact - RFP 标记的 AFs 荧光信号增强，信噪比提高，更适合进行 3D 结构分析；而在晚期末期，图像恢复对图像质量的提升相对较小34。
- Lifeact - RFP 标记的 AFs 在细胞板形成初期的定位：通过对有丝分裂装置中平面的光学切片进行时间变化研究，发现经过图像恢复后，Lifeact - RFP 标记的 AFs 在细胞板形成部位清晰可见。而且，随着细胞板的扩展，在子核附近也能检测到它的信号。通过长曝光图像和 LatB 处理实验进一步验证，确认了在细胞板形成部位检测到的 Lifeact - RFP 标记的 AFs 信号确实来自 AFs56。
- 不同探针标记的 AFs 在细胞板形成初期的定位差异：研究人员还用 RFP - ABD2 标记 AFs 进行分析，发现 RFP - ABD2 标记的 AFs 在细胞板形成早期很少定位在细胞板附近，而是在细胞板扩展时定位在子核附近。这和 Lifeact - RFP 标记的 AFs 定位模式不同，说明不同探针标记的 AFs 在细胞板形成初期的动态变化存在差异78。
研究结论与讨论
这项研究意义重大。一方面，深度学习 - 基于图像恢复技术在烟草 BY-2 细胞活细胞成像中效果显著，能减少激光曝光的负面影响，提高时空分辨率。虽然该技术存在依赖训练数据等缺点，但通过合理选择训练图像，可以有效提升图像恢复的准确性。另一方面，研究揭示了不同探针标记的 AFs 在细胞板形成初期的动态差异，这表明特定类型的 AFs 可能参与了细胞板形成过程中的囊泡运输。未来对 Lifeact - RFP 和 RFP - ABD2 标记的 AFs 差异动态的研究，将帮助我们更深入地理解 AFs 在细胞板形成中的作用。总之，该研究不仅为植物细胞分裂机制的研究开辟了新方向，也为相关领域的进一步探索提供了重要的理论依据和技术参考。
