掃描電鏡在植物科學中的應用

在植物科學中，研究人員面臨著許多不同、具有挑戰性的顯微學任務： 從形態分析到功能研究，從分類學和行為學到生理學研究。各種不同的顯微技術被應用于植物科學。在植物學領域，光學顯微鏡的應用很廣泛：從使用立體和變焦顯微鏡來觀察、歸類和篩選樣品，再到成像和出報告。

隨著熒光蛋白的使用增加，熒光成像技術已經成為一個重要的應用。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構，而掃描電鏡（SEM）常用來觀察樣本表面的形貌。多年來，植物科學和掃描電鏡一直是密切相關的。這篇文章將會告訴你如何使用掃描電鏡，以及它的優勢和面臨的挑戰。需要注意的是，相比工業制造中的應用，掃描電鏡不僅可以用于研究解剖學和生理學，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

使用掃描電鏡（SEM）對解剖學進行研究，其中使用二次電子探頭（SED）成像優勢明顯。利用二次電子成像可以有效地觀察植物各種結構，如植物器官，或表面的毛狀體等。

植物樣品是不導電樣品，且一般情況下都含一定的水分，因此往往需要進行復雜的脫水處理，并噴金，這樣在使用掃描電鏡觀察時才能避免樣品充電。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，另一種常用的技術為激光共聚焦掃描顯微鏡（CLSM）。但是，這種技術經常面臨的問題是，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）轉染。

De Craene等人有效地證實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育和兩性木瓜器官的分化，并與擬南芥的生長發育過程進行比較。

在Talbot和White發表的一篇文章中，他們直接使用掃描電鏡的背散射探頭（BSD）對未噴金的植物細胞壁樣品直接觀察。這種方法制樣過程非常簡單，通過調節亮度和對比度，可以使擬南芥的細胞壁能夠更容易地被檢測和分析。

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行復雜的脫水處理過程——固定、脫水和臨界點干燥，即使這樣，樣品形狀還是會有一定的收縮。對于這個問題，一個潛在的解決方案是使用一個能夠控制溫度的樣品臺，將溫度設置在零下十幾或零下二十幾度，使得含水樣品迅速凝結成固體，然后在背散射模式下直接進行觀察。

SEM在植物科學領域的另一個應用是分析天然纖維，因為纖維材料的市場是非常巨大的。Fang等人 [3] 詳細地解釋了這些纖維是如何從大麻植物中獲得并被廣泛應用的。

大麻纖維用于生產制造繩子、紙張、帆布和衣服等材料長達好幾個世紀。大麻纖維經久耐用，直徑為16 μm到50 μm。最近，它們甚至被用來提高汽車行業油漆的性能。為了增強纖維的質量，先脫膠處理，然后使用飛納臺式掃描電鏡（Phenom Desktop SEM）進行檢測分析。

我們使用掃描電鏡觀察植物，最近發現一些有趣的現象，有些樹葉表面呈星形狀，如圖3所示。而且它們的尺寸只有100 μm，肉眼是難以辨別的。