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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.
I problemi più comuni nel trattamento dei campioni biologici per le osservazioni con il microscopio elettronico a scansione (SEM) includono il collasso delle cellule, il trattamento di campioni provenienti da microambienti umidi e la distruzione delle cellule. Utilizzando i giovani tessuti floreali, cisti oomiceti e spore di funghi (Agaricales) come esempi, i protocolli specifici per trattare i campioni delicati sono descritte qui che superano alcune delle principali sfide nel trattamento del campione per l'acquisizione di immagini sotto il SEM.
meristemi floreali fissate con FAA (formalina-acetico-alcol) ed elaborate con la Critical Point Dryer (CPD) non veniva visualizzato crollati pareti cellulari o organi distorti. Questi risultati sono cruciali per la ricostruzione dello sviluppo floreale. Un simile trattamento CPD-based dei campioni microambienti umidi, come le cisti oomiceti glutaraldeide fisso, è ottimale per testare la crescita differenziale di caratteristiche diagnostiche (ad esempio, le spine cisti) su diversi tipi di dobstrates. La distruzione delle cellule nutrici collegati a spore di funghi è stato evitato dopo la reidratazione, la disidratazione, e il trattamento CPD, un passo importante per ulteriori studi funzionali di queste cellule.
I protocolli descritti qui rappresentano a basso costo e le alternative rapide per l'acquisizione di immagini di buona qualità per ricostruire i processi di crescita e di studiare le caratteristiche diagnostiche.
In biologia, l'uso di microscopia elettronica a scansione (SEM) è stato esteso a studi di evoluzione strutturale, morfologia comparativa sviluppo degli organi, e la caratterizzazione di popolazioni o specie 1. Con la sua vista bidimensionale di strutture microscopiche, aree come micromorfologia e sistematica beneficiato dal SEM tecnica progressi a partire dalla seconda metà del 20 ° secolo. Ad esempio, l'introduzione della metodologia di rivestimento sputtering nel 1970 resa possibile osservazioni di materiali delicati quali apici dei germogli e fiori migliorando l'imaging del tessuto non conduttivi 2, 3. SEM utilizza elettroni emessi dalla superficie del campione per riprodurre la topografia in un ambiente ad alto vuoto 4.
Gli studi che coinvolgono SEM sono focalizzati sia l'inferenza di caratteri strutturali e la ricostruzione di growtprocessi h. Nuovi personaggi strutturali rilevanti per la tassonomia e sistematica di una vasta gamma di organismi sono stati scoperti da osservazioni SEM. Ad esempio, i tratti vegetali utilizzati per la diagnosi specie o di classificazioni supraspecific, come ad esempio i pozzi vestured di legno 5, la stigmatizzazione della diversità 6, nettario e floreale morfologia 7, 8, dettagli tricomi 9, e grani di polline 10, 11, non può essere visualizzato correttamente senza SEM. Osservazioni di successo con SEM convenzionale sono stati raggiunti anche per lungo tempo gli organismi fissati in formalina 12 e vegetale erbario esemplari 13.
D'altra parte, studi di ricostruzione dei processi di crescita mediante SEM coinvolgono un'ampia gamma di argomenti, quali lo sviluppo dell'organo 14, infeZIONI indotte da batteri 15, pianta radice fisiologia 16, meccanismi di attacco del parassita-ospite 17, 18, gli effetti della droga sui parassiti 19, mycoparasitism e antibiosi 20, 21, la crescita malformazioni 22, sviluppo comparativa di individui selvatici e mutanti 23, e interi cicli di vita 24. Sebbene microscopi a scansione ambientale elettroni (ESEM) 25 possono avere importanti vantaggi per l'osservazione di campioni biologici umidi nei processi di crescita, materiale delicato può ancora essere compromessa anche in condizioni di basso vuoto della ESEM), e devono essere trattati adeguatamente per evitare perdite di pregevole osservazione morfologica.
In questo lavoro, una revisione dei protocolli specifici per SEM osservazione di tre difftipi diversi di campioni è presentato: meristemi floreali, oomiceti (Saprolegnia), e materiale fungino. Questi protocolli compilare l'esperienza dei nostri studi precedenti SEM-base 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, dove sono stati trovati difficoltà specifiche e soluzioni alternative. Nel caso di impianti di sviluppo comparativo e studi strutturali, l'uso di SEM ha iniziato nel 1970 34, 35, e da allora, i ricercatori hanno scoperto che certe caratteristiche floreali sono più labili di quanto si pensasse 36. Ricostruzione di sviluppo floreale comporta la cattura di tutte le fasi tra giovani meristemi floreali e antesi. Per raggiungere questo obiettivo, è essential che la topografia del campione e l'integrità parete cellulare non sono compromesse dopo la fissazione e successiva disidratazione. I giovani meristemi floreali sono particolarmente vulnerabili al collasso della parete cellulare (figure 1a, 1b). Allo stesso modo, le strutture delicate come nettarii, petali, stimmi e sporangi richiedono protocolli efficaci e undamaging. Questa review riassume un protocollo ottimale per mantenere giovani e delicati tessuti intatti per l'imaging SEM.
Nel caso dei oomiceti (Stramenopiles), uno dei gruppi più diversi e diffusi di parassiti, con padroni di casa che vanno dai microbi e piante per invertebrati e vertebrati 37 - ci sono spore che crescono e si sviluppano in un ambiente umido. Questa condizione rappresenta una sfida per l'osservazione SEM perché le spore hanno bisogno di un supporto adeguato non è adatto per protocolli standard SEM. Tra le oomiceti, specie di Saprolegnia sono di particolare interesse perché can causare gravi riduzioni di acquacoltura, la pesca, e le popolazioni di anfibi 38. Caratteristiche micromorfologici, come ad esempio le spine uncinate di cisti, sono stati trovati per essere utile per identificare le specie di Saprolegnia, che è fondamentale per stabilire i controlli di infezione e potenziali trattamenti 39. Qui, vi è un protocollo sperimentale di confrontare i modelli di crescita colonna di cisti su diversi substrati e per manipolare il campione per la preparazione critica punto asciugatrice (CPD) e successiva osservazione SEM.
In un terzo caso, ci sono risultati interessanti, che salgono dopo un controllo delle spore dei funghi Phellorinia Herculanea f. f stellata. nova (Agaricales) 31. Insieme con le spore, un gruppo di celle di vivai inaspettati stato identificato sotto la SEM. Con i protocolli tradizionali precedenti e materiale non trattato, le cellule venivano infermiere out completamente crollato (Figura 1c). Ulteriori inferenze su particolari tessuti associati alle spore possono essere realizzati con semplici ma cruciali modifiche agli approcci standard qui descritti (Figura 1d).
In questa recensione, ci sono protocolli dettagliati SEM che possono essere utilizzati per affrontare diversi problemi associati con l'osservazione SEM negli angiosperme, oomiceti, e Agaricales, come ad esempio il collasso delle cellule e restringimento dei tessuti meristematico, la crescita non ottimale di spine cisti, e la distruzione di tessuti effimere, rispettivamente.
Figura 1: Confronto tra campioni trattati, senza (a, c) e (b, d) il protocollo FAA-etanolo-CPD. (A - b) gemme floreali di Anacyclus clavatus, a metà dello sviluppo. Bud trattato con tetrossido di osmio 46 </ sup> (a) e Bud trattati con il protocollo FAA-CPD (b). (C - d) le cellule infermiera con spore di Phellorinia Herculanea f. Stellata. Campioni essiccati senza alcun trattamento (c) e con il protocollo qui descritto per Agaricales (d). Le spore in arancione. Bilancia: (ab) 100 micron, (cd) 50 micron. Le foto sono state scattate da Y. Ruiz-León. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
NOTA: Questo protocollo comprende sei sezioni principali, tre dedicati ad organismi specifici (sezioni 1-3), e tre descrivono le procedure comuni a tutti (4-6). Asterischi (*) indicano passi modificati dagli sperimentatori.
1. Studi di sviluppo e di strutture vegetali completamente formati
Figura 2: Strumenti per manipulati campionesu e elaborazione prima osservazione SEM. (A) container esemplare acciaio da pareti forate per lo scambio etanolo / CO 2 nella camera CPD. (B) stub acciaio all'interno di un supporto del campione di plastica. Contenitore (c) vetro utilizzato per mantenere i campioni al riparo da umidità e polvere. Alla base, vi è un vano per il gel di silice. (D) dei punti critici di Dryer. Nella parte anteriore, ci sono (da sinistra a destra) il manometro, l'interruttore di alimentazione, il sistema di controllo della temperatura, e la visualizzazione della temperatura. Pressione di esercizio normale per CO 2 -etanolo interscambio è di 60 bar (800 psi). In cima, ci sono quattro valvole (controlli aspirazione, di scarico, di ventilazione e scarico) che fiancheggiano la camera campione centrale. Le foto sono state scattate da Y. Ruiz-León e MA Bello. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
3. Studio di Erbario fungine spore di Phellorinia Herculanea sotto SEM
4. essiccazione di materiale utilizzando un dei punti critici di Dryer (CPD, Figura 2d)
5. Rivestimento i campioni con oro Utilizzando la polverizzazione catodica Coater (Figura 3a)
Figura 3: polverizzazione catodica coater (a) e microscopio elettronico a scansione (b). (A) Vista frontale della camera a vuoto (a sinistra), VALV gase, timer, vuoto e controlli attuali. (B) Vista laterale dei componenti principali SEM (da sinistra a destra): la colonna sotto vuoto con la camera del campione, lo schermo del computer con i controlli, e il monitor della Camera. Le foto sono state scattate da Y. Ruiz-León. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
6. l'osservazione al microscopio elettronico a scansione (SEM, figura 3b)
Sviluppo floreale e la fissazione di sviluppo e strutture vegetali completamente formato
Utilizzando il protocollo FAA-CPD descritto qui, giovani e mature tessuti vegetali sono perfettamente fissati e disidratati per l'imaging SEM. Processi come lo sviluppo floreale possono essere ricostruiti, perché la topografia e la forma delle gemme non sia falsata da cellule restringimento (Figure 1b, 1d, 4a-f). Le str...
Per quanto riguarda i protocolli standard SEM, le procedure qui presentati sono relativamente rapido, facile da seguire, e le metodologie a basso costo. A seconda della quantità di campioni e sulla facilità di lavorazione, ci vogliono quattro o cinque giorni per acquisire immagini di buona qualità. Compreso adeguate misure di sicurezza per la CPD e il funzionamento SEM, le procedure sono facili da gestire. Particolare cautela deve essere assunto con formalina e la glutaraldeide (vedere i passaggi da 1.1.1 a 1.1.3 e 2...
The authors have nothing to disclose.
Questo progetto ha ricevuto un finanziamento dal programma di ricerca e innovazione Orizzonte 2020 dell'Unione Europea con convenzione di sovvenzione n ° 634429. Questa pubblicazione riflette il punto di vista degli autori, e la Commissione Europea non può essere ritenuta responsabile per qualsiasi uso che possa essere fatto delle informazioni esso contenute. Abbiamo anche riconoscere il contributo finanziario da parte del Jardin Botanico, CSIC. SR è grata per l'Unione europea [ITN-SAPRO-238550] per il sostegno della sua ricerca in Saprolegnia. Vogliamo anche ringraziare Francisco Calonge per gentilmente fornire le immagini Herculanea Phellorinia e B. Pueyo per l'elaborazione di campioni (Figura 5). Tutte le immagini sono state scattate dal servizio SEM al Jardin Botanico-CSIC di 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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