原子力显微镜在植物叶片中的应用

植物叶片是感受外界环境变化的敏感器官,以往的研究多是从宏观角度出发。而电镜的样品处理过程在一定程度上破坏了叶片表面的真实形态,AFM的出现使接近活体状态的研究成为可能。对大果越橘(Vacciniummacrocarpon)的观察展示了叶面生境的异质性,和新叶相比,老叶皱缩,表面粗糙度增加(Mechaberetal.,1996)。定量分析叶表面疏水结构时,观察到天南星科植物海芋(Alocasiamacrorrhiza)叶表面具有很多凸起(Wagneretal.,2003)。Perkins等(2005)在研究月桂樱桃(Prunuslaurocerasus)叶表面机械及化学属性时,测量了叶表面的粗糙部分的平均粗糙度为5.6nm,平滑部分的粗糙度为1.4nm。AFM还可以用来做动态分析。Benitez等(2004b)最早利用AFM对角质的化学合成作了辅助分析,然后结合红外光谱(FT-IR)描述了角质的分子特征(Benitezetal.,2004a)。根据DLVO理论,Liou等(2002)在人工合成的脂双层膜上获得了磷酸化的图形,并对磷酸化和去磷酸化动力学特征进行分析;Gunning等(2004)记录了多聚物在分子水平上的吸附和解吸附的过程。Shankar等(2004)观察种子萌芽过程时发现有三角形纳米颗粒形成,颗粒的厚度为14nm,边长440nm。AFM在低等植物中也有应用,Callow等(2000)通过实验测得缘管浒苔(Enteromorphalinza)糖蛋白黏附力平均为(173�1.7)nN.m-1,最大为458nN.m-1。5AFM存在问题及应用展望AFM发展至今,已经在很多领域得到了广泛的应用。

同其它技术一样,AFM仍然有许多地方需要改进。(1)垂直高度,AFM依靠针尖与样品的相互作用成像,对样品的高度有一定限制,如果样品垂直高度超过8~10mm时成像较难。(2)针尖污染,在气相下,存在各种污染物,针尖极易污染。可以采用扫描粗糙碳膜的方法加以解决;液相下则无此限制,针尖本身振动,可以自动清除污染。另外加工工艺和仪器自身的改进,使这种影响逐渐减小。(3)增宽效应,所谓的增宽效应是指当粒子尺寸比AFM的针尖曲率半径小很多的时候,由于卷积作用产生的。当扫描2nm的样品时,得到的图像可能会超过10nm。(4)样品的弹性形变,由于力学显微镜的性质,在扫描时样品或多或少会产生一定的形变。(5)最大扫描范围,这个范围一直局限在微米级,毫米级的扫描头还处在研发阶段。(6)实时成像的限制,通常扫描一张图需要几分钟的时间,对于瞬间的生物化学反应无法捕捉。(7)制样技术仍需改进,与较硬的固体材料相比,生物样品的AFM实验技术难度较大,制样过程中,吸附力通常会导致样品失去活性;对于活体原位观察,在液相中进行小范围扫描时,溶液中的物质容易沉淀,产生背景干扰颗粒,因此优化制样方法至关重要。植物世界蕴含着千差万别的结构,而对于结构的研究将有助于深入了解其特殊的功能。

AFM作为一种表面检测工具,可以实现这一目标。目前的研究主要集中在光合作用蛋白和细胞壁等几个方面,仅发挥着“眼”的作用,“手”的功能还没有体现。更为深入的研究才刚刚起步,亟待解决的问题是对各种实验方法进行不断的改进和创新。随着科技的进步,AFM将与其它显微技术及生物技术有机地结合起来,其应用前景会更为广阔,并在植物学研究中发挥更大的作用。