Batirtze屁股Mateu,一个芭芭拉•Stefke一个Marie-Theres豪泽b和Notburga Gierlingera、c、d
一个材料科学和过程工程系,BOKU-University自然资源和生命科学、奥地利的维也纳。电子邮件:(电子邮件保护)
b应用遗传学和细胞生物学系,BOKU-University自然资源和生命科学、奥地利的维也纳
c建筑材料研究所,苏黎世联邦理工学院,8093年,瑞士的苏黎世
d应用木材研究实验室,Empa-Swiss联邦实验室材料试验和研究,8600年的飞行,瑞士
介绍
植物是陆地生物的最丰富的来源和可再生能源,具有实际意义的人类和动物营养以及来源的天然纤维纺织品、材料和纸产品。的理解植物细胞因此高利息的优化利用的植物在传统的和新的应用程序和也从仿生视图,就像自然进化的各种植物细胞壁不同属性和功能和适应不同的栖息地和环境。
在所有的植物细胞壁的主要部分的生物量和基于晶体纤维素形成微纤维,这是嵌入在不同的基体聚合物。两种类型的植物细胞壁可以区分:主墙是沉积在细胞生长和次生细胞壁后细胞生长停止。主要细胞壁需要机械稳定和足够的可扩展的,允许细胞扩张,同时避免细胞破裂turgour下压力。这是通过相当僵硬的纤维素微纤维嵌入在一个富含水分的矩阵的半纤维素、果胶和蛋白质。相比之下,次生细胞壁往往都是“防水”,更加稳定和耐药与木质素的浸渍,丙苯的芳香聚合物组成单位。此外,二级植物细胞壁的木头是由子层(S1, S2和S3),不同的化学成分和对齐的纤维素微纤维与纤维轴(纤维素微纤丝角,MFA)。胶水相邻细胞在一起形成功能性组织矩阵聚合物沉积在细胞之间的细胞角(CC)和复合中层(CML)确保细胞的粘附到邻国。所有植物部分暴露于大气中涂层脂质材料(角质,软木脂和蜡),减少水分流失,帮助阻止病原真菌和细菌的进入。细胞的化学成分和结构和他们的安排显示重要的国际米兰,intra-species可变性和确定不同的组织和表面性质。1,2
大多数传统的植物组织化学分析是破坏性的,因为他们需要解体。然而,植物组织的功能特性并不完全依赖他们的化学成分本身,而且分布的不同组件的上下文微型和纳米结构及其相互作用。近年来共焦拉曼显微镜的发展作为一个重要的工具在植物细胞壁的研究中,可以观察到分子组成的变化和与衍射成像空间分辨率有限(~ 300 nm)原生植物组织。3,4,5样品制备方法对植物细胞壁、测量参数以及光谱数据分析方法详细描述了其他地方。6在本文中显示了潜在的拉曼光谱成像方法的两个例子:1)想象化学成分的变化的横截面内杆模型的植物拟南芥通过简单地集成乐队标志的植物细胞壁聚合物,和2)揭示木组织的细节臭椿altissima由顶点成分分析(VCA),一个多元的方法。
成像在拟南芥茎不同的细胞类型
在切片机通过阀杆的横截面拟南芥(一个小开花植物在植物生物学广泛用作生物模型)的一个感兴趣的领域60×100µm每0.3µm选择和拉曼光谱获得的积分时间0.09秒。基于54000年的光谱,拉曼图像计算通过整合不同波段归因于植物细胞壁聚合物的官能团(见图1模拟)。
通过集成的伸缩振动CH组,它们存在于所有植物分子,呈现结构(图1)。外表面角质层,突出显示以及表皮,主要在大脑皮层细胞壁,二次纤维的细胞壁和细胞腔内还有一些存款。整合区域特征对碳水化合物(纤维素、半纤维素、果胶)大部分的表皮细胞壁,皮层和纤维突出显示(图1 b),而通过整合木质素标记带大约1601厘米1强度是主要局限于纤维和纤维丰富的细胞内角落(图1 c)。相比之下果胶标记乐队(856厘米1)显示最高强度的表皮和逐步减少皮质,主要局限于细胞的角落(图1 d)。强度的变化在不同的组织类型和细胞可以通过定义一个详细的兴趣(垂直白线如图1 b)和策划整合区域沿着这条线的变化(图1 e)。清晰可见,碳水化合物显示表皮和高强度纤维,而木质素显示增加的外表皮,缺席的初生细胞壁皮层和强度最高的纤维。纤维中的木质素和碳水化合物配置文件不同,显示的积累木质素在中间的两个相邻细胞壁(图1 e)。这些简单的图像和基于积分图计算的乐队标志的植物细胞壁聚合物在总体结构上给出一个快速概述(图1 a - b)和化学在微观层面上的变化:1)大量表皮和初级细胞壁的果胶与木质化的纤维(图1 c - d),和2)都提到的矩阵聚合物沉积在细胞壁内,但在最高金额在细胞之间的细胞角落和粘合在一起(图1汉英)。
与每个像素代表一个分子的拉曼光谱图像有一个指纹在每个映射的位置。因此详细见解的分子组成每一点或为每个组织类型可以通过提取单一光谱(一个像素,图1 f)或平均光谱,3分别。不同细胞内提取单一光谱表明,表皮的化学(图1 f,绿谱)显然不同于细胞壁(红色和蓝色光谱)。角质层是而言:这两个乐队在角质层光谱特征在1650厘米1,约1440厘米1(图1 f,绿色光谱)可以分配给C = C段表明链不饱和脂肪酸和ch2弯曲的饱和CH2债券,分别9据报道,随着角质层主要由脂质如常用药用和很长的表皮蜡组件(烷烃、醇类和脂肪酸)。10这个光谱分析澄清高强度“木质素集成”的角质层(图1 C, E)并不源自木质素乐队,但由于乐队在1650厘米1由于不饱和脂肪酸。与显微染色或荧光图像相比,拉曼光谱图像因此潜力评估潜在的光谱,从而避免误解的结果,获得更详细的见解的分子组成。表皮的光谱显示峰值为858厘米1和1097厘米1(图1 f,蓝色光谱),确认高果胶含量与其他碳水化合物(纤维素)。光谱产生的次生细胞壁纤维显示最高的强度(图1 f,红色光谱),因为这些最厚和密集的细胞壁。这些次生细胞壁光谱清楚地表明纤维素(380厘米的贡献1,1097厘米1)和木质素(1601厘米1和1660厘米1),这也给上升到一个更高的荧光背景(图1 f,红色光谱)。
木制的细胞壁内的变化臭椿altissima
臭椿altissima,一个快速增长的落叶硬木树原产于中国和台湾,已成为欧洲的入侵物种。bdapp官方下载安卓版木细胞壁木质化的代表次生细胞壁及其拉曼光谱是由许多重叠的乐队从纤维素,半纤维素和木质素。等光谱数据集(如多变量分析方法。集群分析或顶点成分分析(VCA)],它不仅考虑到一个标志带,而是整个波数范围内,通常是有利的。11使用VCA光谱数据集提取纯组件可以分解的,所谓endmembers (EMs)。12通过这种方法不同的解剖结构和细胞壁层得以成像和底层的分子结构可以基于EM光谱。13
应用于木质的组织样本臭椿altissima,VCA透露,细胞角(图2,蓝色)显然是不同于次生细胞壁(灰色),另外一个小层(绿色)分离。细胞由第一个角落EM(图2 b)和特点是几乎纯木质素成分可以源自于电磁频谱(图2 e, F蓝色光谱)显示典型的木质素乐队在1661厘米1,1600厘米1,1336厘米1和1146厘米1。第二他们代表了细胞腔(图2,红色),第三和第四EMs二级细胞壁(图2中,灰色和绿色的颜色)。次生细胞壁的电磁光谱表明木质素乐队旁边附加峰在1736厘米1从半纤维素和1380厘米1,1123厘米1,1097厘米1和380厘米1由于纤维素(图2 E-F,绿色和黑色光谱)。详细比较木质素地区正常化后的形状变化和次生细胞壁木质素组成单元之间的角落可以看到(图2)。12第三他们代表了主要的次生细胞壁外层薄(S1)和层向腔(S3)(图2)。这些薄层不同于其他次生细胞壁厚(S2,图2 d)通过较高的木质素含量和不同纤维素方向(图2 E-F)。纤维素微纤维的取向有更高的角度对纤维轴在S1和S3可以从改变纤维素的高度敏感的乐队在1097厘米1在1122厘米1带(图2)。14在这个例子中它再次表明VCA是一个非常有前途的方法在高光谱图像分析由于容易和简单的方法可以解决共同的特征的地区利益和揭示分子结构的变化。13
前景
虽然大多数分析技术是破坏性的,拉曼光谱成像代表一个最好的办法解决植物组织的分子结构在本地环境中。化学成分的变化可以坐落在不同细胞之间的空间分辨率约~ 300海里。这里显示的例子只是许多可能的两个拉曼光谱成像和分析。虽然单变量光谱分析给出了一个快速和优质的化学和结构组成、多元的最有前途的方法是分析瓦解更多细节,即使乐队是重叠的。在未来,多元高光谱图像分析结合参考拉曼光谱测量和光谱数据库不同的植物成分和植物物种和他们不同的组织会帮助我们更好地了解植物的光谱特征和解开更多信息的分子指纹在每一个映射的位置半岛综合体育官方APP下载德甲。还小颗粒或细胞内的存款可以分析和植物生长过程一步一步,如由合并后的木质素聚合物形成层的细胞最终的次生细胞壁。方法并不局限于一个工厂,但是可以应用从根/茎的叶子和将有助于获得更全面的图片工厂组织包括重要的细胞和器官的表面。此外,反应可以跟踪符合环境变化和适应或改变由于基因改造。
确认
资金:奥地利科学基金会(FWF):开始项目Nr y - 728 b1。
引用
- R.A.伯顿,M.J. Gidley G.B.芬奇,“异质性的化学,植物细胞壁的结构和功能”,化学性质。医学杂志。6,724 - 732 (2010)。doi:http://dx.doi.org/10.1038/nchembio.439
- d . Fengel g·韦格纳,伍德:化学、超微结构、反应。Walter de Gruyter & Co .,柏林(1989)。
- n Gierlinger和m . Schwanninger“化学成像显微共焦拉曼显微镜杨树木材细胞壁”,植物杂志。140年,1246 - 1254 (2006)。doi:http://dx.doi.org/10.1104/pp.105.066993
- n Gierlinger和m . Schwanninger”拉曼显微镜和拉曼成像在植物的潜力研究”,Spectrosc.-Int。J。21日,69 - 89 (2007)。
- 美国阿加瓦尔,”拉曼成像调查植物细胞壁的超微结构和组成:木质素和纤维素的分布在黑云杉木材(云杉马里亚纳)”,足底224年,1141 - 1153 (2006)。doi:http://dx.doi.org/10.1007/s00425 - 006 - 0295 - z
- n . Gierlinger t Keplinger和m·哈林顿显微共焦拉曼显微镜成像的植物细胞壁”,Protoc性质。7,1694 - 1708 (2012)。doi:http://dx.doi.org/10.1038/nprot.2012.092
- U.P. Agarwal S.A.拉尔夫,”FT-Raman光谱学的木头:识别半岛综合体育官方APP下载德甲贡献的木质素和碳水化合物的聚合物黑云杉的光谱(云杉马里亚纳)”达成。Spectrosc。51岁,1648 - 1655 (1997)。doi:http://dx.doi.org/10.1366/0003702971939316
- a . Synytsya j . Copikova p Matejka诉Machovic,“果胶的傅里叶变换拉曼和红外光谱”,半岛综合体育官方APP下载德甲Carbohyd。变异较大。54岁的97 - 106 (2003)。doi:http://dx.doi.org/10.1016/s0144 - 8617(03)00158 - 9
- M.M.L. Yu, h·g·舒尔茨,r·杰特M.W.叶片和R.F.B.特纳,”拉曼microspectroscopic分析中常用药用植物角质层”,达成。Spectrosc。61年,32-37 (2007)。doi:http://dx.doi.org/10.1366/000370207779701352
- J.A. Heredia-Guerrero, J.J.贝尼特斯,e·多明格斯安全火花型拜耳,r . Cingolani Athanassiou和a·埃雷迪亚”植物角质层的红外和拉曼光谱特性:审查”,前面。植物科学。5,305 (2014)。doi:http://dx.doi.org/10.3389/fpls.2014.00305
- a . de胡安·m·maed t . Hancewicz l . Duponchel和r . Tauler“最优化的图像分析工具”红外和拉曼光谱成像沙尔茨,埃德·r·和·Siesler。Wiley-VCH,第108 - 65页。魏因海姆(2009)。doi:http://dx.doi.org/10.1002/9783527628230.ch2
- J.M.P. Nascimento, J.M.B.迪亚斯,”顶点成分分析:不混合高光谱数据的快速算法”IEEE反式。Geosci。远程Sens。43岁的898 - 910 (2005)。doi:http://dx.doi.org/10.1109/TGRS.2005.844293
- n . Gierlinger”揭示分子植物细胞壁组成的变化在micron-level喇曼映射和顶点成分分析(VCA)”,前面。植物科学。5,306 (2014)。doi:http://dx.doi.org/10.3389/fpls.2014.00306
- n . Gierlinger逻辑单元,c·康尼锡j . Konnerth m·埃德尔和p . Fratzl纤维素微纤维取向的挪威云杉在micron-level由拉曼成像及其变化”,j . Exp。机器人。61年,587 - 595 (2010)。doi:http://dx.doi.org/10.1093/jxb/erp325
