用户成就丨探索植物的“隐形外衣”：相干拉曼显微成像技术让植物细胞壁研究跨入新纪元

想象一下，如果我们能拥有一种这样的魔法眼镜：戴上它就能看到植物细胞的“ 隐形外衣 ” —— 细胞壁的内部结构和组成，该有多神奇！这正是相干拉曼显微成像技术带给我们的奇妙体验。

近期，一篇以“ Single-cell characterization of major components of plant cell walls in situ by Raman spectroscopy ”（利用拉曼光谱在单细胞水平上对植物细胞壁主要成分进行原位表征的研究）为题的论文发表在 Science  China  Life Sciences（图1 ）上。该研究成果由北京林业大学林金星团队完成，主要研究内容是利用拉曼显微成像技术技术对植物细胞壁的主要成分进行分析和成像。其中振电科技的相干拉曼成像技术在该研究中发挥了重要作用，首次揭示单细胞植物细胞壁奥秘，为植物细胞壁利用和生物合成开辟了新途径 。

图1研究成果（图源：  Science China Life Sciences）

文章通过拉曼光谱技术研究了植物细胞壁的复杂结构，主要包含纤维素、半纤维素、果胶和木质素等多糖和非糖聚合物。利用共聚焦拉曼显微镜（CRM）和相干拉曼散射显微镜（SRS），研究人员能够在不破坏样本的情况下，获取细胞壁组分的光谱和成像信息。研究结果揭示了细胞壁中不同组分的特征光谱，并通过主成分分析（PCA）和聚类分析，实现了细胞壁不同层的快速自动检测和成像，为植物细胞壁的深入研究提供了新的技术手段。

什么是植物细胞壁？  植物细胞壁是植物细胞的外部支撑结构，就像房子的墙壁一样，它保护着细胞内部的宝贝，维持着植物的形状。细胞壁主要由纤维素、半纤维素、果胶和木质素等组成，这些物质共同构成了植物的 “ 钢筋混凝土 ” 。

在植物细胞壁的研究领域，由于其组成成分难以标记性，非侵入性成像技术显得至关重要。共聚焦拉曼显微镜（CRM）和相干拉曼散射显微镜（SRS）是两种广泛应用于植物学研究的成像技术，它们能在不破坏或处理样品的情况下，同时获取光谱和空间信息——通过分析碳水化合物和木质素的模型化合物，研究者可以识别并区分细胞壁中的不同组分。

尽管共聚焦拉曼成像技术在解决标记问题上具有一定的优势，但其成像效果常受到植物自发荧光的干扰，导致图像质量下降。此外，共聚焦拉曼成像的速度较慢，通常需要数十分钟乃至数小时才能完成一个拉曼光谱成像实验 。

相较于共聚焦拉曼显微镜，相干拉曼散射显微镜具有明显的优势：相干拉曼显微成像与共聚焦拉曼相似，不需要染色或破坏细胞壁，就能直接获取细胞壁的化学成分和结构信息。

与传统的共聚焦拉曼显微镜不同的是，相干拉曼利用两束飞秒脉冲激光共振放大了拉曼散射信号，提升拉曼信号一百万倍，可以很好的解决共聚焦拉曼成像速度慢的问题，能够在较短的时间内完成大量数据的采集，非常适合用于大范围样本或动态过程的研究；而且较少受到植物自发荧光的干扰，获得高对比度、高分辨率的化学成像。

图2 共聚焦拉曼和相干拉曼对油松木质部细胞壁成分分布成像
D，油松木质部细胞壁成分（碳水化合物、木质素、G-木质素和H-木质素）分布的共聚焦拉曼图像。比例尺，5 μm 。E 、油松木质部细胞壁成分（碳水化合物、木质素、G-木质素和H-木质素）的相干拉曼图像和彩虹色分析；比例尺，10 μm（图源： ScienceChina Life Sciences）

如论文结果所示，相干拉曼散射显微镜（SRS）与共聚焦拉曼显微镜（CRM）在检测不同木质素单元沉积方面表现出高度一致性。相干拉曼散射显微镜因其更快的成像速度而能够实现更大范围的图像视野。相较之下，共聚焦拉曼显微镜的视野较小，且单个数据点的积分时间需达到1 s 。对于相同的样本，相干拉曼散射显微镜仅需10 μs的积分时间，且完成整张图像的拍摄大约只需1 s 。因此，相干拉曼散射显微镜在保持分析一致性的同时，显著提高了成像效率。

图3 麻疯树种皮中植物细胞壁成分的相干拉曼图像和彩虹分析。
对碳水化合物、木质素、G-、S-和C-木质素进行了SRS成像，分别对应于麻疯树种皮的2900 、1600 、1280 、1330和1135cm 比例尺，10 μm（图源： Science China Life Sciences）

相干拉曼显微成像技术能够检测细胞壁中的分子振动，能够在不破坏或处理样本的情况下同时获得光谱和光学成像信息，从而揭示其结构功能关系：如上图所示相干拉曼显微成像技术可以识别糖类、纤维素、并能够区分不同类型的木质素。

本次研究成果为植物细胞壁成分分析提供了新方法和新见解，对于植物学、生物物理学和材料科学等领域的研究具有里程碑意义。相干拉曼显微成像技术为我们打开了一扇了解植物微观世界的大门，让我们能够更加深入地探索植物的奥秘，为人类的可持续发展提供新的思路和工具。