以三维方式重现整个植物细胞 – 以纳米级探索光相关器官的变化 –

RIKEN环境与资源科学研究中心生物聚合物研究团队的绿川庆子研究员(研究时,现任Utsumiya大学生物科学教育研究中心特聘助理教授)、小田东彦客座研究员(宇都宫大学生物科学教育研究中心教授)和Numada Yuji团队负责人(京都大学工学研究生院教授)等研究小组 利用电子显微镜图像和三维图像重建技术[1],以高分辨率将模型植物拟南芥的叶肉细胞再现为三维图像。

这项研究有望成为在细胞水平上阐明细胞器官(细胞器[2])在受光植物细胞中如何变化及其环境反应机制的新方法。

研究人员利用阵列断层扫描[3],将电子显微镜的超薄连续切片技术与三维图像重建技术相结合,以高分辨率分析拟南芥叶肉细胞中细胞的形式和排列。 此外,在光照射细胞(明处理组)和未照射光的细胞(暗处理组)中,细胞内器官的形式和细胞之间的接触面积首次定量显示不同。

这项研究发表在10月4日的《PNAS Nexus》在线版上。

图片[1] - 以三维方式重现整个植物细胞 – 以纳米级探索光相关器官的变化 – - 敬一博客
通过阵列断层扫描从电子显微镜图像重建三维拟南芥叶肉细胞

背景

细胞内有许多细胞器官(器官),每个器官通过协同工作来支持各种生命活动。 在植物细胞中,光呼吸通过三个器官进行,三个器官:叶绿体、过氧化物体[4]和线粒体。[5]与光合作用反应有关。 自古以来,就观察到过氧化物体和线粒体与叶绿体的物理接触,这表明它们与光呼吸有关。

然而,我们并不真正了解细胞内器官的形状和位置如何随着光的变化而变化。 原因是植物细胞比其他生物体的细胞大,器官的形式和排列在细胞中不均匀。 因此,即使捕获了某些器官的反应,我们也无法了解整个细胞如何变化,也无法理解它们在整个细胞中的反应。 特别是,为了定量分析细胞的形式和位置,需要以电子显微镜水平的高分辨率进行分析,但在相对较大的植物细胞中,很难以纳米(nm,1nm是十亿分之一米)的分辨率分析整个细胞。

研究方法和结果

为了研究植物细胞中器官的形式和排列如何随光而变化,研究人员将重点放在与光呼吸相关的叶绿体、过氧化物体和线粒体三个器官上,并将它们的形式和排列与光照细胞(明处理组)和未发光的细胞(暗处理组)进行比较。

通常,高分辨率透射电子显微镜[6]用于观察细胞内部的微观结构。 然而,样品必须非常薄,小于100nm,很难应用于植物细胞,其中一侧相当于100nm的1000倍,大约100微米(μm,1μm是百万分之一米)。

另一方面,在细胞内观察细胞内细胞的最通用的共聚焦显微镜[7]中,没有足够的分辨率来获得细胞器的形式和接触部位的细节。 因此,我们专注于使用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)[8]的阵列断层扫描方法。 使用电子显微镜的阵列断层扫描方法允许在保持高分辨率的同时观察宽视场。 研究人员利用这种方法成功地将拟南芥的一个叶肉细胞重建为整个三维图像(图1)。

三维重建的拟南芥叶肉细胞图

图1 三维重建的拟南芥叶肉细胞

使用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)的阵列断层扫描方法进行三维重建,包括叶绿体(绿色)、过氧化物体(粉红色)、线粒体(浅蓝色)、核(黄色)和囊泡(灰色)五个细胞的拟南芥叶肉细胞。 分别从在黑暗中处理的叶子和在明处处理的叶子中选择3个细胞,共分析6个细胞。 该图显示了属于每个分析的暗处理组或明处理组的单元格之一。

基于构建的三维图像,首先将三个器官的体积和球形度与明处理组和暗处理组进行比较。 结果表明,明处理组含有大量体积较大的过氧化物体(图2A左)。 另一方面,线粒体的体积在两组之间没有区别,但发现在明处理组中,有许多高球形度,即更简单的线粒体形式(图2A右,2B)。

明暗处器官形态比较图

图2 明暗处器官形态比较

  • A)暗处理组和明处理组中过氧化物体体积和线粒体的球形度比较。 球形度是接近球形的形式,接近1,即表明它是一个简单的形式。
  • B)暗处理细胞和明处理细胞线粒体的形式比较。 在暗处理细胞中,线粒体具有细长的形式,而在明处理细胞中,形式更简单。 刻度尺为 2μm。

然后,分析了叶绿体、过氧化物体和线粒体的接触频率(接触点的数量)和接触面积(图3A)。 接触部位的检测和接触面积由图像分析软件Imaris提供的算法确定。 比较暗处理组和明处理组的接触频率、每个细胞的总接触面积和每个接触的面积,发现虽然接触频率在明处理组中往往较多,但每接触的面积明显增加(图3B)。 这些结果表明,细胞的光接受促使现有接触部位扩大,而不是增加细胞间新的接触部位。

叶绿体、过氧化物体和线粒体接触部位的定量比较图

图3 叶绿体、过氧化物体和线粒体的接触部位的定量比较

  • A)叶绿体(C,绿色),过氧化物体(P,粉红色),线粒体(M,浅蓝色)的接触部位。 上部是电子显微镜图像,中间是电子显微镜图像和三维图像的叠加,下部表示从三维图像(黄色)计算的两个器官的接触区域。 刻度尺为 1μm。
  • B)叶绿体和过氧化物体之间接触部位的定量分析。 暗处理组和明处理组每个细胞的接触频率和面积,以及每个接触的面积比较。 在明处理组中,虽然接触频率(左)与暗处理组没有显著差异,但每接触面积(右)显著增加。

在受光照射的细胞中,光呼吸随着光合作用反应而活跃。 这次发现的过氧化物体和线粒体的形态变化,以及叶绿体、过氧化物体和线粒体的接触区域的扩展,被认为旨在提高光呼吸的效率。

未来期望

在这项研究中,通过重建整个植物细胞的三维结构,以纳米分辨率获得精确的形态分析和接触部位的细节,并定量地捕获细胞在接收光时器官的变化。 结果表明,存在一种机制,根据细胞外部环境控制器官的形式和排列。

今后,如果不仅在光明和黑暗中,而且在植物暴露的各种压力环境中获得器官的细节,可以预期将导致开发定量评估细胞内代谢效率的方法。

补充说明

  • 1.三维图像重建技术
    叠加连续二维图像,重建原始三维图像的方法。
  • 2.细胞器官(细胞器)
    由存在于细胞内的膜分隔的结构。 每个都有特定的功能。
  • 3.阵列断层扫描方法
    从固定树脂嵌入的生物样品中制备连续切片,用电子显微镜观察每个部分相同的部分,通过堆叠连续图像进行三维观察。
  • 4.过氧化物体
    真核细胞中普遍存在的细胞器官之一。 在植物细胞中,脂肪酸代谢β氧化和光呼吸中的甘油酸氧化。
  • 5.一种代谢系统,跨越光呼吸
    过氧化物体、线粒体和叶绿体,是一种代谢途径,将Rubisco氧化反应产生的磷酸甘油转化为磷酸甘油。
  • 6.种显微镜,可以使用透射电子显微镜
    电子束以纳米分辨率详细观察样品。
  • 7.一种显微镜,
    用于获取图像,该图像通过去除要观察的共聚焦显微镜以外的焦平面产生的荧光而获得。 高构造可提供高分辨率图像。
  • 8.场发射扫描电子显微镜 (FE-SEM 显微镜,使用电子束照射
    目标样品时发射的二次电子或辐射电子观察微小物质。 主要用于观察样品表面的微观结构。 FE-SEM 代表电子微球,用于扫描字段。

研究团队

RIKEN环境与资源科学研究中心
生物聚合物研究组组
长努马塔·凯吉
(京都大学工学研究生院教授)
,研究员(当时),绿川庆子(米多里卡瓦·凯科)
( 现任宇都宫大学生物科学教育研究中心特聘助理教授,
技术职员I.塔塔伊希·阿亚卡,
研究员(研究时)伊迈·塔库托(伊迈·塔库托)
客座研究员小田东彦(科达马·尤塔卡)
(宇都宫大学生物科学教育研究中心教授)
技术基础部门质谱和显微镜分析股
高级工程师东冈公德(东洋卡·基米诺里)
工程师佐藤裕子(佐藤美子)

研究支持

这项研究由日本科学技术厅(JST)战略创造研究促进项目(ERATO)“努马塔有机反应集群项目(研究综述:努马塔·尤吉)”资助。

原始论文信息

  • Keiko Midorikawa, Ayaka Tateishi, Kiminori Toyooka, Mayuko Sato, Takuto Imai, Yutaka Kodama, Keiji Numata., “Three-dimensional nanoscale analysis of light-dependent organelle changes in Arabidopsis mesophyll cells”, PNAS Nexus10.1093/pnasnexus/pgac225


温馨提示:本文最后更新于2023-01-16 10:16:20,某些文章具有时效性,若有错误或已失效,请在下方留言或联系敬一站长
THE END
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