活体共聚焦成像为生物学家研究发育过程提供了强有力的工具。本文中,我们介绍了一种对发育中的拟南芥(Arabidopsis)花进行活体共聚焦成像的详细实验方案。
活体共聚焦成像为生物学家研究发育过程提供了强有力的工具。本文中,我们介绍了一种对发育中的拟南芥(Arabidopsis)花进行活体共聚焦成像的详细实验方案。
植物生长与发育的研究长期以来依赖于使用死亡且固定的组织进行实验,缺乏适当的细胞分辨率。近年来,共聚焦显微镜技术的进步,结合多种荧光染料的开发,已克服了这些问题,使得在活体样本中以较高的细胞分辨率同时研究多个基因的表达成为可能。活体共聚焦成像为植物生物学家提供了研究发育过程的有力工具,已被广泛用于研究根的生长以及茎尖分生组织侧面侧生器官的形成。然而,该技术在花发育研究中的应用尚不广泛,部分原因在于花成像所特有的挑战,例如萼片在花分生组织上方生长,会过滤掉下层组织的荧光信号。本文中,我们提供了一套详细的实验方案,用于在活体发育中的拟南芥花芽上进行活体共聚焦成像,可使用正置或倒置显微镜完成。
植物体的大部分结构是在胚胎发育后形成的,起源于茎和根尖端或近尖端的干细胞群,即顶端分生组织。成年植物所有地上部分的结构均来自茎顶端分生组织(SAM),该组织在其侧面持续产生侧生器官:在营养生长期产生叶,在转入生殖生长期后则产生花分生组织(FMs)。花分生组织进一步发育为花朵。拟南芥的茎顶端分生组织以迭代式螺旋模式逐个产生侧生器官,而花分生组织则以部分同步的方式在四个轮生结构中同时启动多个发育程序,形成四种类型的花器官。尽管控制不同花器官身份特化的遗传调控网络已得到部分解析(综述见参考文献1,2),但花发育的许多方面,如花器官的定位以及各轮之间边界的建立,仍知之甚少。
早期植物发育的分子遗传学研究主要依赖于诸如 原位 杂交与GUS报告基因分析基因表达。尽管这些方法提供了大量信息,并极大地促进了我们对植物生长和花发育的理解,但仍存在重要局限性:它们缺乏良好的细胞分辨率,难以在同一材料中轻松观察多个基因的表达模式,更重要的是,仅能应用于死亡且固定的组织。近年来共聚焦显微镜技术的进步已克服了这些局限,为发育生物学家提供了研究植物形态发生过程的有力工具。特别是共聚焦显微镜能够实现对活体组织和器官在其形成过程中进行连续观察,这对于全面理解发育这一本质上的动态过程至关重要。
活体共聚焦成像已被广泛用于分析植物地上部分的生长以及顶端分生组织(SAM)产生侧生器官的过程例如 参考文献3,4,5,6),但少数报道除外(例如 参考文献7,8,9,10),但尚未被广泛应用于花发育的研究。已有针对茎尖分生组织(SAM)的活体共聚焦成像方案(例如 参考文献11,12),并为如何对包围SAM的发育中花芽进行成像提供了良好基础。然而,对花芽成像存在特定挑战:例如,花芽会迅速变得比SAM更大,且在第4阶段,萼片开始覆盖FM(阶段划分参见参考文献)13),并减弱来自深层组织的荧光信号(图2A)。本文提供了一项详细方案,介绍如何使用正置或倒置显微镜配合浸水物镜对发育中的拟南芥花芽进行活体共聚焦成像。我们此前已在参考文献中发表过该方案14.
1. 培养基与培养皿的准备
2. 植物生长
3. 茎尖的解剖

图 1:活体共聚焦成像用茎尖的制备。(A–E)用于成像的茎尖解剖过程。开花枝在去除角果和较老花朵前(A)和后(B)的状态。(C–D)解剖皿中浸于水中的茎尖,顶端带有气泡(C)以及去除气泡后(D)的状态。(E)解剖皿中已去除第5阶段以上花蕾后的茎尖。(F–G)在直立式(F)和倒置式(G)共聚焦显微镜载物台上成像皿中的茎尖视图。在(F)中,40倍水浸物镜位于其中一个茎尖上方,物镜尖端浸入水中。在(G)中,茎尖倒置于40倍水浸物镜上方,通过水柱将成像介质与物镜尖端相连。(F)中的插图显示红色矩形区域的高倍放大图像,其中茎尖已插入成像介质;红线和蓝线分别表示介质和水的表面。(H–I)两种自制装置示例,可用于向水浸物镜尖端补充加水:由火花塞套管制成的硅橡胶套管(H),以及用无粉乳胶手套手指部分临时制作的套管(I)。标尺 = 0.5 cm(A 和 B),0.1 cm(C 和 D),100 µm(E)。该图最初发表于参考文献14。请点击此处查看此图的放大版本。
4. 染色
注意:成像过程中,可分别使用碘化丙啶或FM4-64对细胞壁或质膜进行染色,以实现细胞水平的分辨率。或者,也可使用荧光蛋白标记质膜的报告基因品系6,16。
5. 萼片切除
注意:在第4阶段,萼片原基开始覆盖花分生组织(FM)。随着其生长,会遮挡来自下层组织的荧光,从而阻碍成像过程。可通过安装在持针器上的金属针手动去除萼片,或利用激光消融刚出现的萼片原基以阻止其生长。此外,在某些情况下也可使用突变体,例如 apetala1-1,该突变体中萼片缺失或被类似叶片的器官所替代,这些器官不会覆盖花分生组织,而花的中心部分仍能正常发育(图2F)17。
6. 成像设置
7. 成像参数的考量
注意:成像参数的设置在很大程度上取决于所使用的共聚焦系统。以下是对某些参数的建议,这些参数适用于任何共聚焦显微镜。有关成像参数的更多考虑,请参见讨论部分及参考文献14。
8. 共聚焦数据的可视化
图2展示了表达不同荧光报告基因的活体拟南芥花芽的共聚焦Z轴层扫图像的不同视角,这些样本经碘化丙啶染色(图2,A-C5 和 G)或FM4-64染色(图2,E1-F),以实现清晰的细胞分辨率。大多数共聚焦系统能够同时成像两种发射光谱不重叠的荧光染料,例如GFP或YFP分别与碘化丙啶或FM4-64联合使用(图2A-2F)。性能更优的共聚焦系统还能够在同一样本中分离发射光谱部分重叠的多种荧光染料,例如GFP与YFP,以及dsRed与碘化丙啶(图2G)。
展示了三个延时实验的示例 图2 并在萼片切除后显示花芽正常发育,萼片切除采用激光消融系统进行(图2, C1-C5 和 D1-D5)或使用手钻和金属针手动操作(图2, E1-E2)。请注意图中所示的花蕾 图2, E1-E2 来自一个 superman-1 突变体植株,因此在第7阶段的花芽中心未观察到心皮原基。对图示花芽中 newly 出现的萼片原基进行激光消融 图2, C1-C5 阻止其覆盖FM,因此FM在5期仍可成像(图2, C5)。相反,在所示花蕾的情况下 图2, D1-D5,激光消融仅延迟了萼片的生长,但萼片最终仍生长并覆盖了第5阶段花分生组织的大部分区域(图2, D5相反,如果在激光消融过程中使用过高的激光功率和过长的停留时间,损伤会扩散到花的中心区域,影响其生长,有时甚至导致整个花蕾随后死亡。

图 2:活体花蕾共聚焦Z轴层析成像的可视化。A 和 B2 为透明度视图;B1 和 B4-G 为最大强度投影;B3 为正交切片视图。(A-E2)表达 APETALA3 基因 Venus 报告基因(绿色)的花;细胞壁用碘化丙啶染色(红色,B4 除外,为绿色)。(A)花序;数字表示花发育阶段;第4和第5阶段花的萼片会遮挡 Venus 报告基因的荧光信号,该信号通常呈环状分布。注意部分花蕾相对于花序呈现倾斜状态。(B1-B4)同一第5阶段花蕾的共聚焦Z轴层析图像的四种不同视图:最大强度投影(B1 和 B4),其中 Venus 信号强度以绿色像素亮度编码(B1)或以“火焰”色彩编码(B4;色标位于图版底部);透明度视图(B2)和正交切片视图(B3;图中注明了XY、XZ和YZ切片方向)。(C1-C5)单个花蕾从第3阶段到第5阶段为期4天的时间序列成像;在第1天和第3天进行激光消融(标记为白色条纹),足以阻止第5阶段花蕾中心被萼片覆盖。(D1-D5)单个花蕾从第3阶段到第5阶段为期4天的时间序列成像;在第1、2、3天进行激光消融仍不足以阻止萼片覆盖花蕾中心。(E1-E2)人工去除远轴和近轴萼片(E1)以及全部萼片(E2)后的单个花蕾;白色箭头指示残留的萼片;白色星号指示去除萼片后留下的疤痕。(F)第7阶段 apetala1-1 突变体花表达 DR5-3xVenusN7 报告基因18(绿色);质膜用FM4-64染色(红色);蓝色箭头指示取代萼片的叶状结构,这些结构未覆盖花蕾中心。(G)第4阶段花蕾表达荧光GFP报告基因标记的 DORNROSCHEN-LIKE7(绿色)、Venus报告基因标记的 SUPERMAN(红色)以及dsRed报告基因标记的 CLAVATA319(青色);细胞壁用碘化丙啶染色(灰色)。d:天;st:阶段。比例尺 = 25 µm;B1、B2 和 B4,C1-C5 以及 D1-D5 中的比例尺相同。本图改编自参考文献14。请点击此处查看此图的放大版本。
本文提供了一种利用共聚焦显微镜和水浸物镜对活体发育中的拟南芥花芽进行成像的实验方案。该方法既可在正置显微镜上完成,也可在倒置显微镜上完成,但使用前者更为简便快捷。值得注意的是,不同的共聚焦系统在成像速度、灵敏度以及波长分离能力方面存在显著差异。目前最先进的共聚焦显微镜能够在同一样本中同时成像多个不同通道(例如 GFP、YFP、dsRed 和碘化丙啶;图2G)。一些共聚焦显微镜配备了光谱检测器,可同时采集多种荧光染料的荧光信号,并在后续进行分离。然而,当使用常规检测器时,则必须使用特定的激光器和滤光片组合来激发并分离不同荧光染料的发射信号。某些荧光染料具有完全不重叠的发射光谱(例如 CFP 和 YFP),可以同时成像;而其他一些荧光染料的发射光谱部分重叠(例如 GFP 和 YFP),通常需要分别成像,这会延长成像时间。对发射光谱相近的荧光染料进行成像时,通常还需限制每个通道所采集的光谱范围,以防止一种荧光染料的信号渗漏到另一通道中。这种限制会导致采集信号强度的损失,可通过提高激光功率和增益来补偿。然而,过长的成像时间或过高的激光功率可能导致样本发生光漂白和/或光损伤。激光功率和/或增益的增加也可能导致背景噪声升高。针对每个样本,信号强度、分辨率与成像时间之间的优化需通过反复试验完成,并始终涉及多方面的权衡取舍。
本方案介绍了如何对解剖后茎尖侧面发育中的花芽进行活体共聚焦成像。有人可能会认为,由于茎尖脱离了植株其余部分,并在含有细胞分裂素的培养基中生长,这可能会影响茎尖分生组织(SAM)及花的发育。然而,该培养基是通过反复试验经验性设计的,旨在确保分离的茎尖分生组织能够以正常的 plastochron 产生新的花芽,并且这些花芽能够正常发育15。类似地,萼片的解剖似乎并不影响基因表达模式或花其余部分的发育。其他方案详细描述了对仍与植株其余部分相连的茎尖分生组织进行活体共聚焦成像的方法(例如参考文献11)。这些方案可被调整用于发育中花朵的成像,特别是在研究与细胞分裂素相关的过程时,提供了一种有用的替代方法。然而,它们也存在若干缺点:茎会伸长并扭曲,从而改变花芽的方向;此外,虽然使用直立式显微镜对与植株相连的茎尖进行成像是可行的,但在倒置显微镜下进行此类操作则要复杂得多。
浸没式物镜的数值孔径(NA)高于 "干燥" 透镜(即 物镜与样本之间由空气分隔),因此能提供更高的样本分辨率,这在使用共聚焦显微镜时至关重要。使用水浸式物镜不仅比干镜具有更高的数值孔径(NA),还能防止在成像过程中茎尖脱水。尽管甘油和油镜的数值孔径高于水镜,但它们需要使用盖玻片,而这对茎尖这类尺寸的样本而言极为不便,尤其在延时实验过程中茎尖仍在持续生长。鉴于样本尺寸较大(根据花发育阶段的不同,图像堆栈厚度可超过150 µm),使用长工作距离的物镜也非常重要。我们通常采用20倍或40倍物镜,数值孔径为1,工作距离为1.7–2.5 mm。
共聚焦显微镜软件提供了多种可视化共聚焦数据的方式,包括三维重建图像(图2,B1、B2 和 B4)以及切片视图(图2,B3)。尽管最常用的三维视图是共聚焦Z序列的最大强度投影(图2,B1 和 B4),但一些软件(例如 ZEN 和 Imaris)还提供透明度视图,可滤除样品深层区域的信号(图2,B2),这在观察表皮层中发生的过程或基因表达时尤为有用。信号强度可以用单一颜色编码(图2,B1),基于像素强度,也可采用彩色编码(图2,B4)。
活体共聚焦成像不仅为花发育研究提供了宝贵的定性信息,还可能为发育生物学家提供大量定量数据。不同的软件(例如 Imaris、FiJi、MARS-ALT、MorphoGraphX15,20,21)可用于量化表达一种或多种报告基因的细胞数量或体积,或量化不同细胞中报告基因的表达水平。这些软件还可用于自动细胞分割、细胞谱系追踪以及生长的定量分析。这些不同的软件提供了相似的工具,但在许多方面也存在差异。MARS-ALT 和 MorphoGraphX 是专门为植物设计的15,20,21,而 Imaris 和 FiJi 并非如此。MorphoGraphX 仅支持表皮层的分割与分析,而 Imaris 和 MARS-ALT 可对整个样品进行分割与分析。然而,MARS-ALT 要求事先从三个不同角度对同一样品进行成像15,而 Imaris 仅需单个图像堆栈。获取定量信息对于深入理解花发育过程至关重要。
作者无任何利益冲突需要披露。
作者谨向 Elliot M. Meyerowitz 教授致以感谢,感谢他的支持以及对本文手稿的宝贵意见;同时感谢达特茅斯学院的 Ann Lavanway 以及加州理工学院生物成像中心的 Andres Collazo 博士,他们在解决活体共聚焦成像中的技术问题方面提供了帮助。Nathanaël Prunet 的工作由美国国立卫生研究院通过授予 Elliot M. Meyerowitz 的基金 R01 GM104244 提供资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 镊子 | Electron Microscopy Sciences | 72701-D | Dumont Style 5 Inox,用于顶端组织解剖 |
| 手摇钻 | Ted Pella, Inc. | 13560 | 80 cm 长,用于萼片消融 |
| 直型不锈钢针 | Ted Pella, Inc. | 13561-50 | 直径 0.1 mm,长 1.2 cm,用于萼片消融 |
| 圆形塑料盒 | Electron Microscopy Sciences | 64332 | 透明,直径 6 cm,深 2 cm,用作解剖培养皿 |
| 矩形带铰链盒 | Durphy Packaging Co. | DG-0730 | 透明,长 2-7/8”,宽 2”,深 1-1/4”,用作直立显微镜成像培养皿 |
| 组织培养皿,聚苯乙烯,无菌 | VWR | 25382-064 | 透明,直径 3.5 cm,深 1 cm,用作倒置显微镜成像培养皿 |
| P10 和 P1000 移液器 | 配相应滤芯吸头 | ||
| 体视显微镜 | 最大放大倍数为 80–90X | ||
| 激光消融系统 | 用于萼片消融 | ||
| 激光扫描共聚焦显微镜系统 | |||
| 20 或 40X 水浸物镜 | 数值孔径(NA)为 1,工作距离为 1.7–2.5 mm | ||
| 琼脂糖 | |||
| 蔗糖 | |||
| Murashige 和 Skoog 基本盐混合物 | Sigma-Aldrich | M5524 | 不含维生素 |
| 肌醇 | Sigma-Aldrich | I7508 | 维生素 |
| 烟酸 | Sigma-Aldrich | N0761 | 维生素 |
| 盐酸吡哆醇 | Sigma-Aldrich | P6280 | 维生素 |
| 盐酸硫胺素 | Sigma-Aldrich | T1270 | 维生素 |
| 甘氨酸 | Sigma-Aldrich | G8790 | 维生素 |
| N6-苄基腺嘌呤 | Sigma-Aldrich | B3408 | BAP,一种细胞分裂素 |
| 碘化丙啶溶液 | Sigma-Aldrich | P4864 | 1 mg/mL 水溶液,用于细胞壁染色 |
| FM4-64 | Invitrogen | F34653 | 用水稀释至 80 μg/mL,用于质膜染色 |