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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.
Les problèmes courants dans le traitement d'échantillons biologiques pour des observations au microscope électronique à balayage (MEB) comprennent l'effondrement des cellules, le traitement des échantillons de micro-environnements humides et la destruction des cellules. Utilisation de jeunes tissus floraux, des kystes oomycètes, et les spores de champignons (Agaricales) à titre d'exemples, des protocoles spécifiques pour traiter les échantillons délicats sont décrits ici qui surmontent certains des principaux défis dans le traitement de l'échantillon pour la capture d'image sous la SEM.
méristèmes floraux fixes avec la FAA (Formol-Acetic-alcool) et traitées avec le Point Sèche critique (DPC) n'affichait effondrés parois cellulaires ou des organes déformés. Ces résultats sont essentiels pour la reconstruction du développement floral. Un traitement à base de CPD-même des échantillons de micro - environnements humides, tels que les kystes de oomycètes glutaraldéhyde fixe, est optimal pour tester la croissance différentielle des caractéristiques de diagnostic (par exemple, les épines de kyste) sur différents types de substrates. Destruction des infirmières cellules attachées aux spores de champignons a été évitée après la réhydratation, la déshydratation et le traitement de DPC, une étape importante pour d'autres études fonctionnelles de ces cellules.
Les protocoles détaillés ici représentent à faible coût et des alternatives rapides pour l'acquisition d'images de bonne qualité pour reconstituer les processus de croissance et d'étudier les caractéristiques de diagnostic.
En biologie, l'utilisation de la microscopie électronique à balayage (MEB) a été étendue à l' étude de l' évolution structurelle, la morphologie comparée, le développement des organes, et la caractérisation des populations ou des espèces 1. Avec sa vue en deux dimensions des structures microscopiques, des domaines tels que la micromorphologie et Systématique profité de SEM avance technique depuis la seconde moitié du 20 e siècle. Par exemple, l'introduction de la méthode de revêtement par pulvérisation cathodique dans les années 1970 a fait des observations possibles de matériaux fragiles tels que les sommets et les fleurs pousses amélioration de l'imagerie des tissus non conducteurs 2, 3. SEM utilise des électrons éjectés de la surface de l'échantillon pour reproduire la topographie dans un environnement sous vide poussé 4.
Les études portant sur SEM se concentrent à la fois l'inférence de caractères structurels et la reconstruction de growth processus. De nouveaux personnages structurels pertinents à la taxonomie et la systématique d'un large éventail d'organismes ont été découverts à partir d'observations MEB. Par exemple, les caractéristiques des plantes utilisées pour le diagnostic des espèces ou des classifications supraspécifiques, telles que les fosses ornées de bois 5, la stigmatisation de la diversité 6, nectaire et floral morphologie 7, 8, les détails de trichomes 9, et les grains de pollen 10, 11, ne peut pas être correctement visualisés sans SEM. Observations réussies avec SEM classique ont également été obtenus pour les organismes fixés au formol de longue date 12 et herbarium de spécimens végétaux 13.
D'autre part, les études de la reconstruction des processus de croissance à l' aide de SEM impliquent un large éventail de sujets, tels que le développement des organes 14, infections induites par les bactéries 15, plante racine physiologie 16, les mécanismes de fixation hôte-parasite 17, 18, les effets de la drogue sur les parasites 19, mycoparasitisme et antibiose 20, 21, la croissance malformation 22, développement comparative des individus sauvages et mutantes 23 et cycle de vie 24. Bien que les microscopes électroniques à balayage environnemental (ESEM) 25 peuvent avoir des avantages importants pour l'observation d'échantillons biologiques humides dans les processus de croissance, la matière délicate peut encore être compromise même en condition de faible vide de l'ESEM), et doivent être traitées de manière adéquate pour éviter la perte l'observation morphologique de valeur.
Dans cet article, un examen des protocoles spécifiques pour l'observation SEM de trois difftypes érents d'échantillons est présenté: méristèmes floraux, oomycètes (Saprolegnia) et matériel fongique. Ces protocoles compilent l'expérience de nos études antérieures basées sur SEM 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, où les difficultés spécifiques et des solutions alternatives ont été trouvées. Dans le cas de l' usine de développement comparatif et des études structurales, l'utilisation de SEM a commencé dans les années 1970 34, 35, et depuis lors, les chercheurs ont découvert que certaines caractéristiques florales sont plus labile que pensait auparavant 36. Reconstruction du développement floral implique la capture de toutes les étapes entre les jeunes méristèmes floraux et anthèse. Pour atteindre cet objectif, il est essential que la topographie de l'échantillon et l'intégrité de la paroi cellulaire ne sont pas compromises après la fixation et la déshydratation subséquente. Les jeunes méristèmes floraux sont particulièrement vulnérables à la paroi cellulaire effondrement (figures 1a, 1b). De même, les structures délicates telles que nectaires, pétales, stigmas et sporanges exigent des protocoles efficaces et undamaging. Cette revue résume un protocole optimal pour garder les jeunes et délicats tissus intacts pour l'imagerie SEM.
Dans le cas des oomycètes (straménopiles) , un des groupes les plus divers et les plus répandues de parasites, avec des hôtes allant de microbes et de plantes pour les invertébrés et les vertébrés 37 - il y a des spores qui se développent et se développent dans un environnement humide. Cette condition représente un défi pour l'observation SEM parce que les spores ont besoin d'un substrat adéquat ne convient pas pour les protocoles SEM standard. Parmi les oomycètes, les espèces de Saprolegnia sont particulièrement intéressants parce qu'ils can provoquer de fortes réductions aquacultures, les pêcheries et les populations d' amphibiens 38. Caractéristiques micromorphologiques, telles que les épines crochues de kystes, ont été trouvés pour être utile pour identifier les espèces de Saprolegnia, ce qui est fondamental d'établir des contrôles d'infection et des traitements potentiels 39. Ici, il y a un protocole expérimental pour comparer les modèles de la croissance de la colonne vertébrale de kystes sur différents substrats et de manipuler l'échantillon critique sèche point (CPD) la préparation et l'observation SEM subséquente.
Dans un troisième cas, il y a des résultats intéressants qui sont venus après une inspection des spores de champignons Phellorinia herculanea f. f stellata. nova (Agaricales) 31. Ensemble avec les spores, un groupe de cellules maternelles inattendues a été identifié dans le cadre du SEM. Avec les protocoles traditionnels précédents et des matières non traitées, les cellules nourricières sont venus OÜt complètement effondré (figure 1c). D' autres inférences sur des tissus particuliers associés aux spores peuvent être faites avec les modifications simples mais cruciales pour les approches standard décrites ici (Figure 1d).
Dans cette revue, il existe des protocoles SEM détaillées qui peuvent être utilisés pour faire face aux différents problèmes liés à l'observation SEM chez les angiospermes, oomycètes et Agaricales, tels que l'effondrement de la cellule et le rétrécissement du tissu méristématique, une croissance non optimale des épines de kystes, et la destruction des tissus éphémères, respectivement.
Figure 1: Comparaison des échantillons traités sans (a, c) et (b, d) le protocole FAA-éthanol-CPD. (A - b) Les boutons floraux de Anacyclus clavatus, mi-développement. Bud traité avec le tétroxyde d' osmium 46 </ sup> (a) et le bourgeon traité avec le protocole FAA-CPD (b). (C - d) les cellules de l' infirmière avec des spores de Phellorinia herculanea f. stellata. On sèche les échantillons sans aucun traitement (c) et le protocole décrit ici pour Agaricales (d). Spores en orange. Échelles: (ab) 100 um, (cd) 50 um. Les photos ont été prises par Y. Ruiz-León. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
NOTE: Ce protocole comprend six sections principales, dont trois consacrées à des organismes spécifiques (sections 1-3), et trois décrivant les procédures communes à tous (4-6). Les astérisques (*) indiquent les étapes modifiées par les expérimentateurs.
1. Études de développement et des structures végétales entièrement constituées
Figure 2: Outils pour manipulati d'échantillonle traitement et avant l'observation SEM. (A) conteneur d'échantillon en acier fabriqués avec des murs troués pour l'éthanol / CO 2 échange dans la chambre CPD. (B) les moignons d' acier à l' intérieur d' un porte-échantillon en matière plastique. Récipient (c) du verre utilisé pour conserver les échantillons à l' abri de l' humidité et de la poussière. A la base, il existe un compartiment pour le gel de silice. (D) des points critiques Sèche - linge. A l'avant, il existe (de gauche à droite), le manomètre, l'interrupteur d'alimentation, le système de contrôle de température, et l'affichage de la température. Pression de service habituelle pour le CO 2 -éthanol échange est de 60 bars (800 psi). En haut, il y a quatre soupapes (contrôles d'entrée, de drain, de ventilation et d'échappement) flanquant la chambre d'échantillon central. Les photos ont été prises par Y. Ruiz-León et MA Bello. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
3. Etude des Herbier Fungal Spores de Phellorinia herculanea sous SEM
4. Le séchage du matériau à l'aide d'un point critique Sèche (CPD, figure 2d)
5. Le revêtement des échantillons avec de l'or Utilisation du Pulvérisateur cathodique (Figure 3a)
Figure 3: coucheuse par pulvérisation cathodique (a) et au microscope électronique à balayage (b). (A) Vue de face de la chambre à vide ( à gauche), valv de gaze, minuterie, vide, et les contrôles actuels. (B) Vue de côté des principaux composants SEM (de gauche à droite): la colonne sous vide avec la chambre de l' échantillon, l'écran d'ordinateur avec les commandes et l'écran de la chambre. Les photos ont été prises par Y. Ruiz-León. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
6. L'observation au microscope électronique à balayage (MEB, Figure 3b)
Développement Floral et fixation du développement et de structures végétales entièrement constituées
En utilisant le protocole FAA-CPD décrit ici, les tissus jeunes et matures plantes sont parfaitement fixes et déshydratés destinés à l'imagerie SEM. Des procédés tels que le développement floral peuvent être reconstruites en raison de la topographie et de la forme des bourgeons ne sont pas faussés par le rétr...
En ce qui concerne les protocoles SEM standard, les procédures présentées ici sont relativement rapide, facile à suivre, et les méthodes à faible coût. En fonction de la quantité d'échantillons et de la facilité de traitement, il faut compter de quatre à cinq jours pour obtenir des images de bonne qualité. Y compris les mesures de sécurité adéquates pour la CPD et le fonctionnement SEM, les procédures sont faciles à manipuler. Une attention particulière doit être prise avec de la formaline et le g...
The authors have nothing to disclose.
Ce projet a été financé par Horizon 2020 du programme de recherche et d'innovation de l'Union européenne en vertu de la convention de subvention n ° 634429. Cette publication reflète uniquement les opinions de l'auteur, et la Commission européenne ne peut pas être tenu pour responsable de l'usage qui pourrait être fait des informations qui s'y trouvent. Nous reconnaissons également la contribution financière faite par le Real Jardín Botánico, CSIC. SR est reconnaissant à l'Union européenne [ITN-SAPRO-238550] pour le soutien de ses recherches dans le Saprolegnia. Nous tenons également à remercier Francisco Calonge pour bien vouloir fournir les images de herculanea Phellorinia et B. Pueyo pour le traitement des échantillons (figure 5). Toutes les images ont été prises par le service SEM au Real Jardín Botánico-CSIC à 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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