利用低温显微镜技术深入研究马铃薯叶片冻害
发布时间：2026-02-02 15:54:23 阅读数： 38
由吉尔伯特·诺伊纳教授领导的因斯布鲁克大学植物学系研究小组，利用低温显微镜技术研究了霜冻对马铃薯叶片产量的不利影响。研究结果发表在最新一期的《作物》（ Crops）杂志上。
研究： 马铃薯叶片对冰层形成的响应及霜冻损伤原因。
超过100个国家种植马铃薯，它是全球第四大重要粮食作物。马铃薯最适宜生长在日平均气温18至20摄氏度之间，且至少三个月无霜冻的环境中。但由于气候变化，春季霜冻灾害发生的可能性正在增加，这将尤其损害寒冷地区的马铃薯产量。
低温对马铃薯生长的影响
在马铃薯叶片中，自然条件下冰核形成温度介于 -0.5 至 -3 °C 之间，叶片在 -3 °C 时会受到霜冻损害。
红外差示扫描量热法（IDTA）表明，马铃薯叶片冻结过程分为两个阶段。在最初的非破坏性冻结事件（E1）中，冰晶包裹了整个叶片，并向细胞外延伸至整个木质部。10-78分钟后，马铃薯叶片在第二次冻结事件（E2）后遭受冻害。
霜冻在第二次冻结过程中会对马铃薯叶片造成致命损害。
一种理论认为，这是由细胞内冻结引起的。由于细胞内冻结，冰晶在细胞内生长，最终杀死原生质体。
然而，细胞内冰晶生成过程尚不完全清楚。由于早期研究中使用的测量技术不够完善，无法控制冻融速率，因此只能在人为设定的较高冻融速率下检测细胞反应。
借助二氧化碳气体交换测量，诺伊纳教授的团队研究了E1和E2后的生理机能。他们利用冷冻光显微镜，研究了E2期间的细胞和结构反应。该研究团队想要验证的假设是：
· 马铃薯叶片的叶肉细胞在E之后表现出冻融脱水现象。
· E1期后气体交换活动停止，但这并无害处，因为叶肉细胞间隙中冰的形成会阻止气体扩散。
· 胚胎发育第二阶段（E2）期间，叶肉细胞发生细胞内冻结，导致细胞膜破裂，造成不可逆的细胞损伤，最终导致细胞死亡。
冷冻显微镜
低温电子显微镜（cryo-EM）的开发是为了获取高活性样品的高分辨率图像。这对于传统的显微镜方法来说极具挑战性。
冷冻电镜技术因其卓越贡献荣获2017年诺贝尔化学奖，它能够对免受活性环境因素影响的软样品进行详细的高分辨率研究。冷冻光显微镜是确定目标位点和评估冷冻电镜样品整体质量的关键技术。
在低温显微镜中，利用液氮或乙烷等冷却机制，将待测样品冷冻至极低温度。由于冷却过程迅速，样品保持其自然状态，并被一层薄薄的冰层隔绝于外界环境。成像方法是通过向样品发射电子束或使用相机记录频率变化。
样品中的分子排列方向各异。利用计算机软件，将所有方向相同的分子分组，并对图像进行排序。每个样品都会采集数千张图片。最后，通过软件进一步编辑，生成高质量的样品三维结构。
实验细节
本研究对马铃薯（Solanum tuberosum L.）的叶片进行了研究。植物种植于萨尔茨堡大学和因斯布鲁克大学的植物园。
采用以 0°、45° 和 90° 的离轴角度切割的成熟叶片的显微切片来测量叶片的解剖结构。
所有实验室冷冻操作均在工业或科研用卧式冷冻柜中进行。取自不同植株的叶片用于测量气体交换。
对高压冷冻和冷冻替代处理的叶片样品进行半薄切片分析，研究了短期非破坏性冷冻（E1）对叶肉细胞形态的影响。利用冷冻显微镜观察并拍摄叶片横切面，以评估叶片冷冻过程中的细胞反应。
结果与展望
经过高压冷冻固定和冷冻置换后，采用冷冻显微镜技术评估了冰形成过程中叶肉细胞的细胞学反应。
通过对冻叶进行二氧化碳气体交换，揭示了植物的功能反应和冻害情况。首次冻结后，气体交换仍能正常进行。因此，细胞间隙中没有冰，冰可能仅存在于木质部导管中。
叶肉细胞保持了原有形状；它们没有发生冻融脱水，而是处于过冷状态。最初冻结后，叶片的光合作用受到抑制，但在解冻后恢复。
在第二次冻结事件中，细胞在细胞内冻结，而一些栅栏薄壁组织细胞在相当长的一段时间内仍保持活性。
细胞内冰晶破坏了叶绿体，在光学显微镜下观察，叶绿体完全消失。第二次冻害后，叶片无法恢复光合作用。因此，马铃薯抵御霜冻的唯一有效方法是避免冻害。
