在植物科學(xué)中，研究人員面臨著許多不同、具有挑戰(zhàn)性的顯微學(xué)任務(wù)： 從形態(tài)分析到功能研究，從分類學(xué)和行為學(xué)到生理學(xué)研究。各種不同的顯微技術(shù)被應(yīng)用于植物科學(xué)。在植物學(xué)領(lǐng)域，光學(xué)顯微鏡的應(yīng)用很廣泛：從使用立體和變焦顯微鏡來(lái)觀察、歸類和篩選樣品，再到成像和出報(bào)告。

隨著熒光蛋白的使用增加，熒光成像技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)重要的應(yīng)用。此外，電子顯微鏡能夠提供高分辨率的觀察， 透射電子顯微鏡（TEM）能夠觀察薄片樣品的結(jié)構(gòu)，而掃描電鏡（SEM）常用來(lái)觀察樣本表面的形貌。多年來(lái)，植物科學(xué)和掃描電鏡一直是密切相關(guān)的。這篇博客將會(huì)告訴你如何使用掃描電鏡，以及它的優(yōu)勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)。需要注意的是，相比工業(yè)制造中的應(yīng)用，掃描電鏡不僅可以用于研究解剖學(xué)和生理學(xué)，還可以分析植物成分，如纖維。

圖1：常春藤葉子的掃描電鏡圖

掃描電鏡和植物解剖學(xué)

使用掃描電鏡（SEM）對(duì)解剖學(xué)進(jìn)行研究，其中使用二次電子探頭（SED）成像優(yōu)勢(shì)明顯。閱讀本博客，了解更多有關(guān)不同探頭的信息。利用二次電子成像可以有效地觀察植物各種結(jié)構(gòu)，如植物器官，或表面的毛狀體等。

植物樣品是不導(dǎo)電樣品，且一般情況下都含一定的水分，因此往往需要進(jìn)行復(fù)雜的脫水處理，并噴金，這樣在使用掃描電鏡觀察時(shí)才能避免樣品充電。另一種方法，除了使用背散射探頭（BSD）成像，還可以在較低的真空模式下觀察。除此之外，另一種常用的技術(shù)為激光共聚焦掃描顯微鏡（CLSM）。但是，這種技術(shù)經(jīng)常面臨的問(wèn)題是，膜染料往往不能輕易滲透組織，因此并不是所有的植物都獲得綠色熒光蛋白（GFP）轉(zhuǎn)染。

De Craene等人 [1] 有效地證實(shí)了如何在植物材料上使用二次電子探頭成像。他們觀察了早期花粉的發(fā)育和兩性木瓜器官的分化，并與擬南芥的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程進(jìn)行比較。

在Talbot和White [2] 發(fā)表的一篇文章中，他們直接使用掃描電鏡的背散射探頭（BSD）對(duì)未噴金的植物細(xì)胞壁樣品直接觀察。這種方法制樣過(guò)程非常簡(jiǎn)單，通過(guò)調(diào)節(jié)亮度和對(duì)比度，可以使擬南芥的細(xì)胞壁能夠更容易地被檢測(cè)和分析。

圖2: 飛納電鏡下木材的背散射電子圖像

植物樣品往往都要進(jìn)行復(fù)雜的脫水處理過(guò)程——固定、脫水和臨界點(diǎn)干燥，即使這樣，樣品形狀還是會(huì)有一定的收縮。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，一個(gè)潛在的解決方案是使用一個(gè)能夠控制溫度的樣品臺(tái)，將溫度設(shè)置在零下十幾或零下二十幾度，使得含水樣品迅速凝結(jié)成固體，然后在背散射模式下直接進(jìn)行觀察。

SEM在植物科學(xué)領(lǐng)域的另一個(gè)應(yīng)用是分析天然纖維，因?yàn)槔w維材料的市場(chǎng)是非常巨大的。Fang等人 [3] 詳細(xì)地解釋了這些纖維是如何從大麻植物中獲得并被廣泛應(yīng)用的。

大麻纖維用于生產(chǎn)制造繩子、紙張、帆布和衣服等材料長(zhǎng)達(dá)好幾個(gè)世紀(jì)。大麻纖維經(jīng)久耐用，直徑為16 μm到50 μm。zui近，它們甚至被用來(lái)提高汽車(chē)行業(yè)油漆的性能。為了增強(qiáng)纖維的質(zhì)量，先脫膠處理，然后使用飛納臺(tái)式掃描電鏡（Phenom Desktop SEM）進(jìn)行檢測(cè)分析。

我們使用掃描電鏡觀察植物，zui近發(fā)現(xiàn)一些有趣的現(xiàn)象，有些樹(shù)葉表面呈星形狀，如圖3所示。而且它們的尺寸只有100 µm，肉眼是難以辨別的。

圖3：飛納電鏡下植物星狀葉片組織的SEM圖像

現(xiàn)在，掃描電鏡在植物方面的應(yīng)用日益廣泛，其主要優(yōu)點(diǎn)是利用它可以獲得植物組織的立體結(jié)構(gòu)圖像，較光學(xué)顯微鏡分辨率更高，放大范圍更廣。

參考文獻(xiàn)

[1] Carpeloidy in flower evolution and diversification: a comparative study in Carica papaya and Arabidopsis thaliana, De Craene et al., Annals of Botany 107:1453-1463 (2011)

[2] Cell surface and cell outline imaging in plant tissues using the backscattered electron detector in a variable pressure scanning electron microscope. Talbot and White, Plant Methods (2013), 9:40

[3] An Efficient Method of Bio-Chemical Combined Treatment for Obtaining High-Quality Hemp Fiber. Fang et al. Bioresources (2017)et al. BioResources (2017)