Summary
该技术允许快速、简朴地制备全种子大小的树脂部分,用于观察和分析种子不同区域的细胞、淀粉颗粒和蛋白质体。
Abstract
种子中细胞、淀粉颗粒和蛋白质体的形态、大小和数量决定了种子的重量和质量。它们在不同的种子区域之间有显著差异。为了清晰地查看细胞、淀粉颗粒和蛋白质体的形态,并定量分析其形态参数,需要全种子大小的部分。虽然全种子大小的石蜡部分可以研究种子中储存材料的积累,但由于厚段的低分辨率,很难定量分析细胞和储存材料的形态参数。薄树脂部分具有高分辨率,但常规树脂分段方法不适合准备体积大、淀粉含量高的成熟种子全种子尺寸部分。本研究提出了一种简单的干截面方法,用于制备全种子大小的树脂部分。该技术可以准备交叉和纵向全种子大小的部分开发,成熟,发芽,煮熟的种子嵌入在LR白树脂,甚至为高淀粉含量的大种子。全种子大小的部分可以染色荧光增白剂28,碘,和库马西辉煌的蓝色R250,以具体地分别显示细胞,淀粉颗粒和蛋白质体的形态。获得的图像还可以定量分析,以显示不同种子区域细胞、淀粉颗粒和蛋白质体的形态参数。
Introduction
植物种子含有淀粉和蛋白质等储存材料,为人们提供能量和营养。细胞和储存材料的形状、大小和数量决定了种子的重量和质量。种子不同区域的细胞和储存材料具有显著不同的形态,特别是对于一些高淀粉分枝酶Ib1、2、3的抑制高淀粉谷类作物。因此,研究种子不同区域细胞和储存材料的形态是非常重要的。
石蜡分段是准备全种子尺寸部分的一个很好的方法,可以展示种子的组织结构和种子4、5、6等不同区域储存材料的积累。然而,石蜡部分通常有6-8 μm厚度和低分辨率;因此,很难对细胞和储存材料的形态进行清晰观察和定量分析。树脂部分通常有1-2μm的厚度和高分辨率,非常适合观察和分析细胞和存储材料的形态7。然而,常规树脂分节法在制备全种子尺寸部分时有困难,尤其是对于体积大、淀粉含量高的种子;因此,没有办法观察和分析种子不同区域细胞和储存材料的形态。LR白树脂是一种丙烯酸树脂,具有低粘度和强渗透性,在制备种子树脂部分方面具有良好的应用,特别是对于体积大、淀粉含量高的谷类成熟内核。此外,嵌入在LR白树脂中的样品可以很容易地用许多化学染料染色,以清楚地显示细胞和储存材料在光或荧光显微镜下7的形态。在之前的一篇论文中,我们报告了一种干燥分段方法,用于制备嵌入在LR白树脂中的成熟谷仁全种子大小的部分。该方法还可以准备开发、发芽和煮熟的谷仁8的整籽大小部分。获得全种子大小的部分在微形态观察和分析方面有许多应用,特别是用于清晰观察和定量分析种子8、9等不同区域细胞和储存材料的形态差异。
这项技术适合研究人员使用光显微镜观察组织微观结构以及不同种子区域的细胞、淀粉颗粒和蛋白质体的形状和大小。通过形态分析软件,可对专为展示细胞、淀粉颗粒和蛋白质体而染色的整籽大小部分的图像进行定量测量,定量测量种子不同区域细胞、淀粉颗粒和蛋白质体的形态参数。为了论证技术适用性和全种子尺寸部分应用,我们研究玉米和油菜的成熟种子以及水稻的发育、发芽和熟核。该协议包含四个进程。在这里,我们使用成熟的玉米仁,这是最难准备整个种子大小的部分,由于体积大,淀粉含量高,作为一个样本,以逐步展示的过程。
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Protocol
1. 树脂嵌入种子的制备(图1)
- 在4°C下固定6个玉米成熟内核,在4°C下,在4°C下使用2.5%磷酸盐缓冲的谷氨酰胺(0.1M,pH7.2),48小时。研究人员可以根据研究目标和组织类型选择其他固定性混合物、固定浓度和固定条件。
- 拿出内核,用锋利的双面刀片纵向或横向切成2-3毫米的厚度,再将它们固定在10 mL的2.5%磷酸盐缓冲性谷氨酰胺(0.1 M,pH 7.2)中,48小时。
- 每次用 10 mL 的 0.1 M 磷酸盐缓冲液 (pH 7.2) 清洗样品三次 30 分钟。
- 将乙醇水溶液(10 mL)的等级从30%到50%、70%、90%和100%三次,每次30分钟,使样品脱水。
- 在 10 mL 中渗透样品,增加用乙醇稀释的 LR 白色树脂溶液的等级,从 25% 到 50%、75% 一次和 100% 两次在 4 °C 下,每次 12 小时。
- 在嵌入之前,为样本准备基座。将 0.25 mL 的 100% LR 白色树脂加入 2 mL 离心管中,并在 60°C 下聚合 48 小时。
- 连续添加纯LR白树脂(0.5 mL)和渗透样品到离心管与基座。用解剖针拉直样品,并在烤箱中60°C聚合样品48小时。
2. 用于准备全种子大小的部分的干截面 (图 1)
- 从离心管中拿出嵌入的内核,使用锋利的刀片切掉样品周围的多余的树脂。
- 将树脂块夹在超微组 (EM UC7) 的样品架中,用刀片修剪样品表面和样品周围的多余树脂。
- 用玻璃刀对样品表面进行精细抛光,直到形成完整的部分。
- 在切割前,将刀片边缘上方约 2 mm 的小铜钩放入 2 μm 部分。挂钩的作用是避免卷曲向上的部分。
- 将挂钩放在该部分下,以支撑该部分变长时。
- 在未预处理的滑梯上加入 100 μL 水,用钳子小心地将完整且不间断的部分转移到水中。
- 为了平滑起皱部分,在50°C的平平桌上加热和干燥样品。
- 如果该部分碎裂或撕裂,将样品每次树脂渗透的时间从 12 小时延长到 24 小时或 48 小时。
- 如果该部分有一些与刀平行的线,则紧紧夹紧样品块。如果该部分有一些垂直于刀的线,请使用新刀。
3. 染色和观察部分
注:为了观察细胞、淀粉颗粒和蛋白质体的结构结构和形态,根据研究的目的,用特定的污渍染色部分。在这里,我们使用荧光增白剂28,碘溶液,和库马西明亮的蓝色R250分别染色细胞壁,淀粉颗粒和蛋白质体。
- 为了观察细胞的形态,在45°C的70 mL紧凑型玻璃染色罐中用40 mL的0.1%(w/v)荧光增白剂28水溶液染色,10分钟,然后用自来水冲洗5分钟。在配备 CCD 摄像机的荧光显微镜下观察和拍摄该部分。
- 为了观察淀粉颗粒的形态,用40μL的碘溶液(0.07%(w/v)I2 和0.14%(w/v)KI在25%(v/v)甘油)中染色1分钟,用盖玻片覆盖含有碘溶液的样品。在配备 CCD 相机的光学显微镜下查看和拍摄样品。
- 为了观察蛋白质体的形态,在45°C下将40 mL的10%(v/v)醋酸浸入70 mL紧凑型玻璃染色罐中10分钟, 然后在 40 mL 的 1% (w/v) Coomassie 辉煌蓝色 R250 中染色 25% (v/v) 异丙醇和 10% (v/v) 醋酸在 45 °C 下 15 分钟。 用自来水清洗染色部分 5 分钟,然后晾干。在配备 CCD 摄像机的光学显微镜下观察和拍摄该部分。
4. 形态参数的定量分析
- 按照赵等人9号的程序,使用形态分析软件(Image-Pro Plus6.0 软件),对种子不同区域的细胞、淀粉颗粒和蛋白质体的区域、长/短轴以及圆度进行处理和定量分析。
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Representative Results
简单的干截面方法,用于获取全种子大小的截面
我们建立了一个简单的干截面方法,用于制备嵌入在LR-白色树脂中的种子的整种子大小的部分(图1)。该方法可以制备厚度为2μm的横向和纵向全种子尺寸部分(图2-5,补充图1-4)。例如,油菜的成熟种子可以横向和纵向分段(图2)。对于谷类作物来说,它们的成熟内核中充满了淀粉颗粒,因此很难制备整个种子大小的部分。利用目前的技术,还可以准备大批量成熟玉米的横向和纵向全种子大小的部分(图4,补充图1)。此外,还可以使用该方法对水稻的培养内核(补充图2)、发芽性内核(补充图3)和熟核(补充图4)进行调查。
全种子尺寸部分的应用
种子组织结构观察
全种子大小的部分可用于观察种子的结构。例如,油籽油菜的胚胎由二分丸、低血、羽花和两个胆碱组成。内侧和外侧骨子组成弯曲成两半,包裹低血和红细胞,使胚胎球状(图2A,C)。纵向和横向全胚胎大小的部分沾染了萨夫兰宁清楚地表现出的弧形,低脂肪,内科蒂顿,和外科蒂顿(图2B,D)。油菜的纵向全胚胎大小部分比横面部分准备难度大。因此,胚胎的横向部分被广泛用于研究胚胎的微观形态,文献5,10。
种子不同区域细胞的形态学与分析
全种子大小的部分可用于观察和分析不同种子区域细胞的形态。例如,油籽油菜的横向全胚胎大小的部分被荧光增白剂28染色,细胞壁被专门染色(图3A)。胚胎任何区域细胞的微形态可以清晰地以高放大倍率显示(图3B,C)。由表皮、皮层和血管组织组成。位于最外层的表皮细胞为矩形和径向排列。皮质帕伦奇玛细胞是圆形的,大小很大。在皮质细胞之间观察到一些不同的空间。皮质细胞从内部到外部排列在层中(图3B)。科蒂莱顿的表皮细胞是方形的,体积小。内皮细胞外表面和内表面在外皮细胞的形状和大小上无显著差异。一些血管气瓶散落在内皮和外侧骨细胞的中生组织中间。中生植物帕伦奇玛细胞明显大于胸膜细胞和血管细胞。中生植物帕伦奇玛细胞在外科蒂顿内区和内科蒂顿外侧区域表现出典型的苍白排列(图3C)。在胚胎的不同区域,白细胞的形态明显不同。为了揭示其形态差异,分别选择区域1、2、3、4和5,分别选择在皮质组织、内科蒂顿内区域、内科蒂顿外区、外科蒂顿内区和外科蒂顿外区(图3B、C)。利用形态分析软件对上述5个区域的帕伦奇玛细胞的形态参数进行了定量分析(补充表1)。白细胞的面积、长轴长度、短轴长度和圆度显示出胚胎不同区域的一些差异。
内膜中的细胞富含淀粉和储存蛋白。使用全种子大小的树脂部分,可以方便地观察和分析内膜不同区域的细胞。例如,在横变全种子大小的部分被荧光增白剂28染色后,可以清楚地看到玉米内膜任何区域的细胞形态。同一内核中的外周、中间和中央内点显示的细胞形状和大小明显不同(补充图1)。为了定量分析内膜不同区域细胞的形态参数,利用形态分析软件对区域图像进行了分析;补充表2中介绍了细胞 的形态参数。区域1的内膜细胞在四个区域中面积最小,区域2的内分细胞比区域3的面积大,但小于区域4。
种子不同区域淀粉颗粒的形态学与分析
大多数植物资源的成熟种子,特别是谷类作物的成熟种子,含有高淀粉含量。淀粉的颗粒形态和大小对淀粉的特性有重要影响,对种子质量有重要影响。种子的树脂部分可以染色碘溶液,以表现不同种子区域淀粉颗粒的形态。例如,玉米的横向和纵向全种子大小的部分被成功地编写成功。沾有碘的部分展示了淀粉的形态(图4)。为了显示淀粉颗粒在内膜不同区域的形态,分别选择了四个区域和九个区域在横向和纵向全种子大小的部分(图4)。不同地区的淀粉颗粒在内分泌细胞的形态、大小和数量上表现出显著差异。对于横向部分,区域1有球形淀粉颗粒,区域2有多边形颗粒,两个区域3和4的淀粉颗粒都是球形颗粒。对于纵向部分,区域1、4、5和8中具有多边形形状的淀粉颗粒大于3、7、9区域具有球形的淀粉颗粒,在2区和6区观察到一些复合淀粉颗粒。
补充表3中显示了四个横截面区域淀粉颗粒形态参数 的定量分析。区域1的淀粉颗粒最小,区域2的淀粉颗粒最大,区域3的淀粉颗粒大于区域4。
种子不同区域蛋白质体的微观形态与分析
具有高储存蛋白的整籽尺寸部分可用于对种子不同区域蛋白质体形态进行反面分析。例如,油籽油菜胚胎的横向部分被库马西亮蓝色R250染色,储存蛋白被染成蓝色(图5)。胚胎中储存蛋白的空间分布可以在低放大率下清晰观察(图5A)。储存蛋白存在于蛋白质体中。在高放大率下,蛋白质体表现出一个异质基质,其中含有一些黑色颗粒和一些未污染的透明结构(图5B)。种子中的蛋白质体有三种类型:第一种类型由均匀蛋白质基质组成,无内含物;第二类含有球状晶体;第三类含有球状晶体和伪晶体11。蛋白质体内的球状晶体由植物酸盐和其他无机盐组成,这些盐没有染色。这些球状晶体是黑色的,因为光线不能在显微镜下通过它们。此外,球形晶体易碎,难以被固定剂和嵌入剂穿透。制作该截面时,球形晶体有时会爆裂,导致蛋白质体内有一个透明的腔11。油菜胚胎的蛋白质体根据其微形态含有球形晶体(图5B)。为了研究胚胎中蛋白质体的空间分布,选择了全胚胎大小的部分的五个区域来表示内科蒂顿内皮组织、内科蒂顿内部区域、内科蒂顿内部区域、外科蒂顿外侧区域和外科蒂顿外部区域(图5A,C-G)。胚胎所有区域的蛋白质体都是球状的、椭圆形的和不规则的(图5C-G)。
补充表4中介绍了上述五个区域表皮附近第一和第二表皮细胞的蛋白质体定量分析。蛋白质体面积在选定的五个区域中略有差异。蛋白质体在外科蒂登的外侧区域的圆度明显低于其他四个区域,表明外科蒂登的蛋白质体接近球体。细胞中蛋白质体的数量和面积指数明显高于科泰顿帕伦奇玛细胞(补充表4)。
图1:采用干截分法制备全种子尺寸树脂半薄部分。请单击此处查看此图的较大版本。
图2:油料油菜品种华双5成熟种子胚胎结构。 (A) 胚胎形态学.(B) 纵向全胚型部分的组织结构。(C) 横向全胚型部分的形态学.(D) 横向全胚型部分的组织结构。部分沾满了萨夫拉宁。H, 低血) ;IC,内科蒂顿;OC, 外科蒂顿;R, 拉迪科比例线 = 1 mm. 请单击此处查看此图的较大版本。
图3:油菜品种华双5胚胎细胞形态学。 (A) 横向全胚胎大小部分沾有荧光增白剂 28 。(B) 区域B的扩增在(A)中,显示细胞形态和细胞结构。(C) 区域C的扩增在(A),显示内科蒂冬的细胞形态和组织结构。比例线 = 500 μm(A) 和 100 μm 表示 (B, C). 请单击此处查看此图的较大版本。
图4:玉米品种郑58成熟内核中淀粉颗粒形态。横向 (A ) 和纵向 (B) 全种子大小的部分被碘溶液染色,其区域放大在内膜不同区域表现出淀粉颗粒的形态。比例杆 = 1 mm 用于整种子尺寸部分,20 μm 用于区域放大。请单击此处查看此图的较大版本。
图5:油菜品种华双5胚胎中蛋白质体形态学。 (A) 横向全胚胎大小部分沾染于库马西辉煌蓝色R250。(B) 蛋白质体的放大,显示其微观结构。(C-G)区域C-G的放大(A),显示蛋白质体在实验室(C),内科蒂顿内区域(D),内科蒂顿(E),内科蒂顿内区(F),内科蒂顿(G)的外部区域。比例线 = 500 μm 表示 (A), 5 μm 表示 (B) 和 50 μm 表示 (C-G) 。 请单击此处查看此图的较大版本。
补充 图1:玉米品种郑58成熟内核细胞形态。 横向全种子大小的部分被荧光增白剂28染色,其区域放大(1-4)在内点膜的不同区域表现出内分细胞的形态。比例杆 = 1 mm 用于整种子尺寸部分,100 μm 用于区域放大。请点击这里下载此文件。
补充 图2:水稻品种9311的培养核形态。 开花后不同天(DAF)的横向全种子大小部分被与萨夫兰宁O和碘溶液反面。比例线 = 0.5毫米。请点击这里下载此文件。
补充图3:水稻品种特庆的发芽内核形态学。 纵向全种子大小部分在8天后,用周期性酸-希夫和托鲁伊丁蓝色O反污,其区域放大显示种子不同区域内分的形态变化。缩放栏 = 20 μm.请单击此处下载此文件。
补充 图4:水稻品种特清熟仁的形态。 横向全种子大小部分沾染碘溶液,其外、中、内区域放大在烹饪过程中表现出种子淀粉颗粒形态变化,为0、10、20和30分钟。缩放栏 = 20 μm.请单击此处下载此文件。
补充表1: 油菜胚胎不同区域细胞的形态学参数a 请点击这里下载此表。
a数据表示标准±(n = 3),并且具有不同字母的同一列中的值(p < 0.05)。
b区域如图 3B C所示。
cLAL:长轴长度;SAL:短轴长度;圆度:(周边2)/(4×π×区域)。
补充表2: 玉米内膜不同区域细胞的形态学参数a 请点击这里下载此表。
a数据表示±偏差(n = 3)。同一列中具有不同字母的值明显不同(p < 0.05)。
b区域在补充图1中玉米仁的 横向部分显示。
cLAL:长轴长度;SAL:短轴长度;圆度:(周边2)/(4×π×区域)。
补充表3: 玉米内膜不同区域淀粉颗粒的形态学参数a 请点击这里下载此表。
a数据表示±偏差(n = 3)。同一列中具有不同字母的值明显不同(p < 0.05)。
b区域如图4A所示在玉米仁的 横向部分。
cLAL:长轴长度;SAL:短轴长度;圆度:(周边2)/(4×π×区域)。
补充表4: 油籽油菜胚胎不同区域蛋白质体形态学参数请 点击这里下载此表。
a数据表示标准±(n = 3),并且具有不同字母的同一列中的值(p < 0.05)。
b区域如图 5 所示。
c圆度: (周边 2) / (4×π×区域);面积指数是蛋白质体与细胞的面积比。
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Discussion
种子是食品、饲料和工业原料最重要的可再生资源,富含淀粉和蛋白质等储存材料。细胞的形态和数量以及储存材料的含量和结构影响种子7、12的重量和质量。虽然立体学和图像分析技术可以测量组织区域细胞的大小和数量,但许多实验室都缺乏这种技术。石蜡和树脂部分提供二维 (2D) 图像,无法分析细胞的真实大小和数量。然而,细胞在它们的任何平面上随机切割,来自组织区域至少三个不同部分的许多细胞(超过100)的均值大小可以反映细胞的二D形态参数(长度、宽度和面积),所选区域与平均细胞面积的比率可以反映细胞的数量。因此,对种子不同区域细胞和储存材料的原位观察和分析具有十分重要的作用。石蜡部分是最适合准备整个种子大小的部分,特别是对于大尺寸种子7。然而,细胞充满了与种子发育的储存材料,导致很难从后期发育的种子和成熟种子获得良好的全种子大小部分。此外,石蜡部分太厚,不能清楚地表现出形态,只适合研究7号种子的组织结构。
树脂部分很薄,能明显地表现出细胞、淀粉颗粒和蛋白质体的形态。然而,常规树脂不适合全种子尺寸部分。这里介绍的技术代表了一种快速、简单和敏锐的方法,用于制备嵌入树脂中的成熟种子的横向和纵向全种子大小的部分,以便使用光显微镜查看种子不同区域细胞、淀粉颗粒和蛋白质体(图2-5,补充图1)。此外,该技术还可以准备开发、发芽和煮熟的种子部分,以就地研究种子不同区域细胞、淀粉和蛋白质体形态的变化。
这种技术提供的另一个明显优势是应用全种子大小的部分。在形态学和代谢组学的新时代,定量测量种子不同区域细胞、淀粉颗粒和蛋白质体形态参数非常重要。这项新技术与形态分析软件结合,使研究人员能够定量地分析种子不同区域细胞、淀粉颗粒和蛋白质体(补充表 1-4)的形态参数。
虽然目前的干截面法可以成功地准备全种子尺寸树脂部分,但存在一些局限性和不足。对于石蜡部分,石蜡可以很容易地从该部分移除;但对于树脂部分,不能从该部分去除树脂,导致植物样品嵌入树脂中。因此,与石蜡部分相比,目前全种子大小的树脂部分不适合进行组织化学和免疫组织化学。此外,由于样品块体积小,常规树脂分切法可将样品切成0.5-2μm平滑截面。但目前的干截分法难以制备厚度小于2μm的光滑截面,特别是体积大、淀粉含量高的成熟种子。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
资助资金由国家自然科学基金(32071927)、扬州大学人才项目和江苏省高校重点学术项目开发提供。
Materials
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acetic acid | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | A501931 | |
Compact glass staining jar (5-Place) | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | E678013 | |
Coomassie brilliant blue R-250 | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | A100472 | |
Coverslip | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | F518211 | |
Double-sided blade | Gillette Shanghai Co., Ltd. | 74-S | |
Ethanol absolute | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | A500737 | |
Flattening table | Leica | HI1220 | |
Fluorescence microscope | Olympus | BX60 | |
Fluorescent brightener 28 | Sigma-Aldrich | 910090 | |
Glass strips | Leica | 840031 | |
Glutaraldehyde 50% solution in water | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | A600875 | |
Glycerol | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | A600232 | |
Iodine | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | A500538 | |
Isopropanol | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | A507048 | |
Light microscope | Olympus | BX53 | |
LR White resin | Agar Scientific | AGR1281A | |
Oven | Shanghai Jing Hong Laboratory Instrument Co.,Ltd. | 9023A | |
Potassium iodide | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | A100512 | |
Slide | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | F518101 | |
Tweezers | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | F519022 | |
Sodium phosphate dibasic dodecahydrate | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | A607793 | |
Sodium phosphate monobasic dihydrate | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | A502805 | |
Ultramicrotome | Leica | EM UC7 |
References
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