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Problems in the processing of biological samples for scanning electron microscopy observation include cell collapse, treatment of samples from wet microenvironments and cell destruction. Low-cost and relatively rapid protocols suited for preparing challenging samples such as floral meristems, oomycete cysts, and fungi (Agaricales) are compiled and detailed here.
Los problemas más comunes en el procesamiento de muestras biológicas para observaciones con el microscopio electrónico de barrido (SEM) incluyen colapso celular, el tratamiento de muestras de microambientes húmedos y destrucción de las células. El uso de tejidos florales jóvenes, quistes oomycete y esporas de hongos (Agaricales) como ejemplos, los protocolos específicos para procesar las muestras delicadas están descritos aquí que superan algunos de los principales desafíos en el tratamiento de la muestra para la captura de imágenes bajo el SEM.
meristemos florales fijos con la FAA (formalina-acético-alcohol) y se procesa con el Punto Crítico Secadora (CPD) no mostraron colapsaron paredes celulares u órganos distorsionadas. Estos resultados son cruciales para la reconstrucción del desarrollo floral. Un tratamiento basado en la CPD similar de muestras de microambientes húmedos, como los quistes oomycete fijados con glutaraldehído, es óptimo para poner a prueba el crecimiento diferencial de las características de diagnóstico (por ejemplo, las espinas del quiste) en diferentes tipos de Dobstrates. La destrucción de células de la enfermera adjunta a esporas de hongos se evitó después de la rehidratación, la deshidratación y el tratamiento de CPD, un paso importante para los estudios más funcionales de estas células.
Los protocolos detallados aquí representan bajo costo y alternativas rápidas para la adquisición de imágenes de buena calidad para reconstruir los procesos de crecimiento y estudiar sus características de diagnóstico.
En biología, el uso de la microscopía electrónica de barrido (SEM) se ha extendido a los estudios de la evolución estructural, la morfología comparativa, el desarrollo de órganos, y la caracterización de las poblaciones o especies 1. Con su vista bidimensional de estructuras microscópicas, áreas como la micromorfología y sistemática se beneficiaron de los avances de la técnica SEM desde la segunda mitad del siglo 20. Por ejemplo, la introducción de la metodología de revestimiento por bombardeo iónico en la década de 1970 hizo posibles observaciones de materiales delicados, como los brotes apicales y flores que potencien la capacidad de formación de imágenes de los tejidos no conductores 2, 3. SEM utiliza electrones expulsados de la superficie de la muestra para reproducir la topografía en un entorno de alto vacío 4.
Los estudios que implican SEM se centran tanto en la inferencia de caracteres estructurales y la reconstrucción de growtprocesos h. caracteres estructurales nuevos relevantes a la taxonomía y sistemática de una amplia gama de organismos se han descubierto a partir de observaciones de SEM. Por ejemplo, características de las plantas utilizadas para el diagnóstico de las especies o las clasificaciones supraespecíficas, tales como las punteaduras de madera 5, la diversidad estigma 6, morfología nectario y florales 7, 8, detalles de tricomas 9, y los granos de polen de 10, 11, no puede visualizarse de forma adecuada y sin SEM. Observaciones exitosas con SEM convencional también se han logrado para los organismos fijados en formalina 12 desde hace mucho tiempo y especímenes de herbario de plantas 13.
Por otra parte, los estudios de reconstrucción de los procesos de crecimiento utilizando SEM implican una amplia gama de temas, tales como el desarrollo de órganos 14, infecciones inducidos por las bacterias 15, planta de raíz fisiología 16, mecanismos de fijación parásito-hospedador 17, 18, efectos de medicamentos en los parásitos 19, micoparasitismo y antibiosis 20, 21, malformación crecimiento del 22, de desarrollo comparativo de individuos salvajes y mutantes 23, y ciclos de vida completos 24. Aunque los microscopios electrónicos de barrido ambiental (ESEM) 25 pueden tener ventajas importantes para la observación de muestras biológicas húmedas en los procesos de crecimiento, material delicado todavía podrá verse comprometido incluso en la condición de bajo vacío del ESEM), y necesitan ser procesados adecuadamente para evitar la pérdida de valiosa observación morfológica.
En este trabajo, una revisión de los protocolos específicos para la observación SEM de tres diffSe presenta Erent tipos de muestras: meristemos florales, oomicetos (Saprolegnia), y material fúngico. Estos protocolos compilar la experiencia de nuestros estudios anteriores basados en SEM 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, donde se han encontrado dificultades específicas y soluciones alternativas. En el caso de la planta comparada estudios estructurales y de desarrollo, el uso de SEM se inició en la década de 1970 34, 35, y desde entonces, los investigadores descubrieron que ciertas características florales son más lábil que se pensaba anteriormente 36. Reconstrucción del desarrollo floral implica la captura de todas las etapas entre los meristemos florales jóvenes y antesis. Para alcanzar este objetivo, es essential que la topografía de la muestra y la integridad de la pared celular no se vean comprometidos después de la fijación y la subsiguiente deshidratación. Meristemos florales jóvenes son particularmente vulnerables al colapso de la pared celular (Figuras 1a, 1b). Del mismo modo, las estructuras delicadas como nectarios, pétalos, estigma y esporangios requieren protocolos eficaces y no perjudiquen. Esta revisión resume un protocolo óptimo para mantener los tejidos jóvenes y delicadas intactas para obtener imágenes de SEM.
En el caso de los oomicetos (stramenopiles), uno de los grupos más diversos y generalizadas de los parásitos, con anfitriones que van desde los microbios y plantas de invertebrados y vertebrados 37 - hay esporas que crecen y se desarrollan en un ambiente húmedo. Esta condición representa un desafío para la observación SEM porque las esporas necesitan un sustrato adecuado no es adecuado para protocolos estándar SEM. Entre los oomicetos, especies de Saprolegnia son de particular interés debido a que can causar reducciones severas en la acuicultura, la pesca y las poblaciones de anfibios 38. Características micromorfológicos, tales como las espinas de gancho de los quistes, se han encontrado para ser útil para identificar especies de Saprolegnia, que es fundamental para establecer los controles de infección y los tratamientos potenciales 39. Aquí, hay un protocolo experimental para comparar los patrones de crecimiento de la columna vertebral de los quistes en diferentes sustratos y manipular la muestra para la preparación de los Puntos Críticos de secador (CPD) y la posterior observación SEM.
En un tercer caso, hay hallazgos más interesantes que surgieron después de una inspección de las esporas de los hongos Phellorinia Herculanea f. f stellata. nova (Agaricales) 31. Junto con las esporas, un grupo de células de vivero inesperados se identificó bajo el SEM. Con los protocolos tradicionales anteriores y material sin tratar, las células enfermera entró out se derrumbó por completo (Figura 1c). Más inferencias sobre tejidos particulares asociados a las esporas se pueden hacer con las modificaciones simples pero cruciales a los enfoques estándar descritos aquí (Figura 1D).
En esta revisión, hay protocolos detallados SEM que se pueden utilizar para hacer frente a diferentes problemas asociados con la observación SEM en las angiospermas, oomicetos, y Agaricales, tales como el colapso celular y la contracción del tejido meristemático, el crecimiento no óptima de las espinas del quiste, y la destrucción de tejidos efímeras, respectivamente.
Figura 1: Comparación de las muestras tratadas y sin (a, c) y con (b, d) el protocolo de la FAA-etanol-CPD. (A - b) yemas florales de Anacyclus clavatus, a mitad de desarrollo. Bud tratada con tetróxido de osmio 46 </ sup> (a) y Bud tratados con el protocolo de la FAA-CPD (b). (C - d) las células de la enfermera con esporas de Phellorinia Herculanea f. stellata. Secado muestras sin ningún tratamiento (c) y con el protocolo aquí descrito para Agaricales (d). Las esporas de color naranja. Escalas: (ab) 100 m, (cd) 50 micras. Las fotografías fueron tomadas por Y. Ruiz-León. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
NOTA: Este protocolo incluye seis secciones principales, tres dedicadas a organismos específicos (secciones 1-3), y tres que describen los procedimientos comunes a todos (4-6). Asteriscos (*) indican los pasos modificados por los experimentadores.
1. Estudios de Desarrollo y Estructuras de las Plantas completamente formado
Figura 2: Herramientas para la muestra manipulatien el procesamiento y antes de la observación SEM. (A) recipiente de la muestra, de acero, con paredes perforadas para el etanol / CO2 en la cámara de intercambio de CPD. (B) los trozos de acero dentro de un soporte de la muestra plástica. Contenedor (c) de vidrio utilizado para mantener las muestras protegidas de la humedad y el polvo. En la base, hay un compartimento para el gel de sílice. (D) Puntos Críticos de secadora. En la parte delantera, no son (de izquierda a derecha) el manómetro, el interruptor de encendido, el sistema de control de la temperatura, y el indicador de temperatura. Presión de trabajo habitual para el intercambio de CO2 etanol es de 60 bares (800 psi). En la parte superior, hay cuatro válvulas (controles de entrada, drenaje, ventilación y de escape) que flanquean la cámara de la muestra central. Las fotografías fueron tomadas por Y. Ruiz-León y MA Bello. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
3. Estudio de esporas de hongos del herbario de Herculanea Phellorinia bajo SEM
4. El secado del material utilizando un secador de punto crítico (CPD, la figura 2d)
5. El recubrimiento de las muestras con oro utilizando el Sputter Coater (Figura 3a)
Figura 3: recubridor por pulverización catódica (a) y microscopio electrónico de barrido (b). (A) Vista frontal de la cámara de vacío (izquierda), el gas VALVe, temporizador, de vacío, y los controles actuales. (B) Vista lateral de los componentes principales de SEM (de izquierda a derecha): la columna de vacío con la cámara de muestra, la pantalla del ordenador con los controles, y el monitor de la cámara. Las fotografías fueron tomadas por Y. Ruiz-León. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
6. Observación bajo el microscopio electrónico de barrido (SEM, Figura 3b)
Desarrollo floral y Fijación de Desarrollo y Estructuras de las Plantas completamente formado
Utilizando el protocolo FAA-CPD se describe aquí, tejidos de plantas jóvenes y maduras se fijan de manera óptima y se deshidrata para obtener imágenes de SEM. Procesos tales como el desarrollo floral se pueden reconstruir porque la topografía y la forma de las yemas no se ve distorsionada por las células contracción (Fig...
Con respecto a los protocolos estándar SEM, los procedimientos que aquí se presentan son relativamente rápido, fácil de seguir, y metodologías de bajo costo. Dependiendo de la cantidad de muestras y en la facilidad de procesamiento, se tarda de cuatro a cinco días para adquirir imágenes de buena calidad. Incluidas las precauciones de seguridad adecuadas para el CPD y el funcionamiento SEM, los procedimientos son fáciles de manejar. Particular, se debe tener cuidado con formalina y el glutaraldehído (consulte lo...
The authors have nothing to disclose.
Este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en el marco del acuerdo de subvención Nº 634429. Esta publicación es responsabilidad exclusiva de su autor, y la Comisión Europea no se hace responsable del uso que pueda hacerse de la información contenida en el mismo. También reconocemos la aportación económica realizada por el Real Jardín Botánico, CSIC. SR agradece a la Unión Europea [ITN-SAPRO-238550] por el apoyo de su investigación en Saprolegnia. También queremos dar las gracias a Francisco Calonge por la amabilidad de proporcionar las imágenes Herculanea Phellorinia y B. Pueyo para el procesamiento de muestras (Figura 5). Todas las imágenes fueron tomadas por el servicio de SEM en el Real Jardín Botánico-CSIC en Madrid.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acetic acid | No specific supplier | Skin irritation, eye irritation | |
aluminium stubs | Ted Pella, Inc. | 16221 | www.tedpella.com |
Centrifuge tubes | No specific supplier | ||
Critical Point Dryer | Polaron Quatum Technologies | CPD7501 | |
D (+) Glucose | Merck | 1,083,421,000 | |
Double sided sellotape | No specific supplier | ||
Ethanol absolute | No specific supplier. | Flammable | |
European bacteriological agar | Conda | 1800.00 | www.condalab.com |
Filter paper | No specific supplier | ||
Forceps | No specific supplier | ||
Formalin 4% | No specific supplier. | Harmful, acute toxicity, skin sensitisation, carcinogenicity. Flammable | |
Glass cover slips | No specific supplier | ||
Glass hermetic container | No specific supplier | ||
Glutaraldehyde 25% DC 253857.1611 (L) | Dismadel S.L. | 3336 | www.dismadel.com |
Mycological peptone | Conda | 1922.00 | www.condalab.com |
needles | No specific supplier | ||
Petri dishes | No specific supplier | ||
Plastic containers | No specific supplier | ||
Sample holder with lid for the critical point dryer | Ted Pella, Inc. | 4591 | www.tedpella.com |
scalpels | No specific supplier | ||
Scanning Electron Microscope | Hitachi | S3000N | |
Software for SEM | |||
Solution A: NaH2PO4 | |||
Solution B: Na2HPO4 | |||
Specimen holders | No specific supplier | ||
Sputter coater | Balzers | SCD 004 | |
Stereomicroscope | No specific supplier | ||
Transmission Electron Microscope (TEM) grids | Electron Microscopy Sciences | G200 (Square Mesh) | www.emsdiassum.com |
Tweezers | No specific supplier |
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