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观察植物的健康状况 — 拉曼成像应用于植物化学领域

2021年3月

大多数人都认为植物的存在是理所当然的。毕竟,它们一直都存在,并且将会永远存在。但是,事实果真如此吗?

与地球上的所有物种一样,植物也在不断进化,以适应不断变化的气候和栖息环境,以及不断加快的城市化进程。过去,植物有时间逐步适应外界因素,但是,现在它们还能跟上人类造成的各种变化的步伐吗?植物对于我们来说至关重要,我们呼吸的98%的氧气和食用的80%的食物均来自于植物。它们对我们的环境和经济有着重大影响。[1] 鉴于上述重要原因,联合国宣布2020年为国际植物健康年 (IYPH)。[2]

很多因素会对植物的生长、健康和抗病性产生积极影响。我们应该监测植物,最好在出现明显迹象之前及时发现植物发生的变化,这一点非常重要。因此,我们需要适合的分析技术。

拉曼光谱非常适合这项应用。它可以提供高度准确的化学信息,能够进行无损分析,而且可以分析水中的样品。因此,研究人员可以在植物的体内和体外检测生物过程。

下面我将介绍使用雷尼绍的inVia共焦显微拉曼光谱仪对植物进行的一些研究。inVia是一款科研级仪器,非常适合分析植物组织。它配备先进的硬件和软件,能够以高空间分辨率和特异性对植物样本进行成像。

从谷物到木材

谷物

谷物是我们的主要食物来源之一。它们的结构和化学成分直接影响其工业加工性能,以及在人类和动物消化系统中的分解方式。

拉曼成像技术使我们能够揭示谷粒横截面上各种成分的空间分布情况。图1是一粒小麦的横截面拉曼图像。通过拉曼图像可以轻松分辨谷粒结构的特定截面,包括糊粉层细胞(中间)、淀粉胚乳(左下角)和糊粉层-果皮边缘(右上角)。[3] 通过解析这些结构的分布情况,我们可以了解外界因素对植物及其种子的影响。这有助于培育更健壮的谷物品种。

  • Raman_Plant_Chemistry_1

    Figure 1. Raman chemical image of a wheat grain cross section, showing arabinoxylan (blue), β-gucan (red), protein (yellow), lipids (magenta), starch (green) and xylan (celadon).

代谢产物

如果能够跟踪环境、营养和力学应力对植物组织的影响,我们就能揭示它们对植物健康和发育的影响。[4]

植物的组织和器官(根、木质部、茎、茎皮、叶、种子等)中可以形成不同类型的代谢产物。如果能够监测和了解代谢物的产生情况,我们就能深入了解植物如何适应环境变化,以及气候变化对其生长状况的影响。

草酸钙是植物的一种关键代谢产物。它能调节组织中的钙含量、避免被食草动物吃掉、排解重金属毒素、强化组织,以及帮助采集光照促进光合作用。它的数量、结晶形态、大小和功能由遗传和环境因素共同决定。[5]

利用拉曼光谱技术,我们可以轻松研究草酸钙结晶在植物组织和器官中的空间分布。图2是一片英国橡树叶子的光学图像及相应的拉曼图像。拉曼图像显示,木质素在复合胞间层 (CML) 和细胞角隅 (CC) 处的含量最高。叶子的细胞角隅中存在较大的草酸钙代谢物结晶(图2B;蓝绿色)。之所以使用拉曼光谱,还有一个原因是,它具有较高的化学特异性,可以研究草酸钙的水合状态。

  • Raman_Plant_Chemistry_2

    Figure 2. (A) Optical image of a cross section of an English oak leaf; (B) corresponding Raman image showing lignin (yellow/orange), and calcium oxalate (cyan).

木材

树木对于人类至关重要。它们制造氧气供我们呼吸,为野生动物提供生存空间。它们还可以用于造纸、生产家具和建造房屋,对我们的经济生活也非常重要。

对木材组织的复杂结构了解越深入,就能更好地预测它们的耐久性,以及对分解和生物侵蚀的抵抗能力。

木材主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。我们可以利用拉曼光谱的高特异性,研究木材细胞壁的结构和组织。它们对分解和生物侵蚀的抵抗能力很大程度上取决于被称为“提取物”的次生代谢产物。

图3中的图像 (A) 显示了欧洲赤松木横截面中的木质素分布情况。木质素集中分布在复合胞间层(CML,胞间层 + 相邻的初生壁)和细胞角隅 (CC),这里的木质素含量高于次生壁中层 (S2)。图像 (B) 是利用偏振激光生成的,揭示了纤维素取向的变化。CML旁边的两个小层具有高强度的纤维素谱带,这里是次生壁中层 (S1)。

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    Figure 3. Raman images of a cross section of Scots pine wood. (A) shows the distribution of lignin, (B) the orientation of cellulose.

未来可期

环境变化的步伐每年都在加快,植物也同样如此。顺应新的现状需要更快、更简单的分析方法。在这个趋势下,拉曼成像在植物组织和器官研究中发挥着越来越重要的作用。这是因为它具有多功能性,可以提供图像、化学和空间分析信息,以及分子取向信息。

利用拉曼光谱获得的研究成果将会成为新的植物健康研究方法中的关键元素。它就像一张不完整的拼图,而inVia共焦显微拉曼光谱仪将填补其中的关键空缺。

作者简介

应用科学家,Anna Lewandowska

Anna Lewandowska的头像

Anna从波兰密茨凯维奇大学 (Adam Mickiewicz University) 获得物理化学博士学位。她在材料科学和分析方法两个领域的研究都非常成功,尤其专注于材料制备和开发表征方法。

Anna博士在拉曼光谱领域拥有超过16年的经验,曾研究多相催化剂、固体材料、纤维、复合材料、纤维素和植物组织。她在原位光谱与气相色谱/质谱测量相结合的实时化学过程监测领域知识渊博,并且还曾在工程领域利用原位方法对纤维和复合材料进行微观力学测试。

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参考文献

  1. https://www.yearofplanthealth.co.uk/why-plants-are-important
  2. http://www.fao.org/plant-health-2020/home/en/
  3. A.-S. Jskelinen, U. Holopainen-Mantila, T. Tamminen, T. Vuorinen, J. Cereal Sci.57 (2013) 543-550
  4. H.J. Butler, M.R.McAinsh, S. Adams, F.L.Martin, Anal.Methods, 7 (2015) 4059-4070
  5. M.N.Islam, M. Kawasaki, Plant Prod. Sci.17 (2014) 13-19