林金星教授團隊利用自動化電鏡技術對青杄花粉進行三維重構

花粉在植物的遺傳和進化中發揮著重要作用，是植物分類的依據之一。過去由於植物細胞較大並且有細胞壁，較難製備超薄切片樣品，同時受限於透射電鏡的成像區域和切片載網的尺寸限制，無法對植物細胞和組織進行大範圍多尺度成像。以往對花粉的研究，都集中在對花粉的形態學、花粉及花粉管發育的研究上，關於花粉粒的三維結構研究鮮有報導。

近年來,電鏡技術迅速發展,特別是電鏡在生物學中的應用,目前已不僅停留在單純直觀的描述,而且已開展了由定性到定量,由平面到空間的立體研究。三維電鏡（3D-EM, 3-dimensional electron microscopy）技術是將電子顯微鏡技術與計算機圖像處理技術結合，利用大量的二維結構照片進行自動化或半自動數據拼接擬合，最終獲得高分辨三維圖像的技術。連續超薄切片掃描電鏡成像（AutoCUTS-SEM, automatic collector of ultrathin sections scanning electron microscopy）技術是中科院生物物理所孫飛研究員團隊自主開發的大尺度連續超薄切片掃描電鏡三維重構技術。它可以構建「連續超薄切片庫」，將切片進行永久保存並反覆觀察；也可以實現在高分辨掃描電子顯微鏡下，對生物樣品進行高通量多尺度連續成像，最大的觀察視野可達數毫米，是普通透射電鏡觀察視野幾十甚至數百倍。

近日，北京林業大學林木分子設計育種高精尖創新中心/生物學院林金星研究團隊在綜合學術期刊SCIENCE CHINA Life Sciences發表了題為「Three-dimensional reconstruction of Picea wilsonii Mast. pollen using automated electron microscopy」 的研究性文章。該研究運用上述的AutoCUTS-SEM技術，對青杄成熟花粉粒進行了三維重構，為研究者今後研究花粉三維結構以及其他植物組織的三維重構提供參考。

該研究在對超薄樣品進行連續切片的基礎上，建立了包含3127張青杄花粉的連續切片庫，然後選擇一套包含完整花粉粒的734張連續切片進行掃描電鏡高分辨成像（圖1），使用相應的算法對得到的圖片進行校準和對齊，利用Imaris軟體對花粉的734張圖像進行三維重構（圖2）。通過三維重構得到花粉各個細胞的空間排布以及多種參數，包括表面積和體積，實現了AutoCUTS-SEM技術在植物細胞研究中的開拓性應用。

圖1. 在高分辨掃描電鏡下青杄花粉的超微結構

圖2. 青杄花粉的三維重構

該研究還對青杄花粉的氣囊進行高分辨的三維結構重構（圖3），發現氣囊內部有眾多連接，形成較為緻密的網絡結構。通過對氣囊的高分辨三維模型分析發現，僅在單一截面中，氣囊內部就有202個連接點，該結果為今後研究氣囊的內部結構及生物學功能提供了新思路。

圖3. 青杄花粉的氣囊結構

北京林業大學林木分子設計育種高精尖創新中心荊豔萍教授和林金星教授為該論文的共同通訊作者，碩士研究生沈微微和博士研究生馬靈玉為該論文的共同第一作者。中國科學院生物物理研究所李喜霞博士、馮韻博士、孫飛研究員等為該論文的合作者。該論文得到了北京林木分子設計育種高精尖創新中心、國家自然科學基金、中央高校基本業務經費和高等學校學科創新引智計劃項目的資助。實驗過程中，還得到了北京林業大學姜立波博士和中國科學院自動化研究所陳曦博士所在團隊的幫助。