用户成就丨振电科技UltraView无标记成像解析低硼胁迫下苜蓿花粉管果胶动力学机制

硼是植物生长发育所必需的关键微量营养素（Warington 1923），大量田间试验表明，施用不同浓度的硼肥可以有效促进生殖发育，提高种子产量（Ahmad et al.，2012; Atique-ur-Rehman et al.，2014; Tahir et al.，2012 ; Terzić et al.，2012），但其具体的分子机制仍不清楚。而紫花苜蓿是全球栽培面积最大、分布最广的豆科牧草，被誉为 “牧草之王”。实际生产中面临普遍难题：低硼环境会抑制苜蓿花粉管伸长，造成小花败育、结籽率下降，直接拉低种子产量。

低硼与花粉管关系

花粉管是植物极性生长最快的细胞，顶端生长高度依赖细胞壁果胶的动态平衡。正常条件下，甲酯化果胶富集在花粉管顶端，提供细胞壁延展性，去甲酯化果胶分布在亚顶端与杆部，维持细胞机械强度。二者如果空间分布发生紊乱，花粉管伸长就会受阻。果胶甲酯酶（PME）与果胶甲酯酶抑制蛋白（PMEI）共同调控果胶甲酯化水平，是维持花粉管正常生长的核心元件。

已有研究表明，低硼会抑制苜蓿花粉管伸长，并证实低硼胁迫可重塑细胞壁果胶空间结构。PMEI（果胶甲酯酶抑制蛋白）家族可经由特定分泌通路调控果胶甲酯化，参与低硼应答，但细胞壁层面完整的调控机制仍有待解析。这一科学瓶颈也直接制约产业问题的解答：低硼如何通过细胞壁层面损伤花粉管，最终造成苜蓿小花败育、结籽率下降、种子产量损失。而想要破解该机制，最大的现实阻碍是难以在原生样本中精准捕捉果胶甲酯化原位化学变化。

为解析果胶动态变化，科研人员常采用主流的传统免疫荧光标记技术，但存在诸多固有短板：

• 实验流程繁复：样本处理过程耗时长，易出现抗体渗透差、标记不均、非特异性吸附，产生实验假象。

• 缺少精准解析能力：荧光信号受抗体品质、孵育条件干扰，只能确定果胶位置，无法直接区分果胶甲酯化真实化学差异。

• 外源标记破坏样本：依赖外加抗体标签，掩盖样本本身化学特征，丢失分子固有的光谱指纹信息。

• 传统自发拉曼效率不足：单张图像采集耗时数小时，针对花粉管这类微小细胞，难以获得具备统计意义的成像数据。

实验成果

近期，中国农业大学草业科学与技术学院团队在《BMC Plant Biology》发表研究，首次从果胶动力学与蛋白质组学层面，把这条通路拆解清楚。而支撑这项研究的关键可视化证据，正是来自振电科技的UltraView多模态非线性光学显微成像系统。该技术通过相干拉曼散射（SRS）无标记化学成像技术，无需抗体染色、无需样本标记，对不同硼处理下的苜蓿花粉管开展原位、高分辨率、光谱级的动态观测，精准捕捉细胞壁果胶组分的细微变化，为解析低硼胁迫抑制苜蓿花粉管伸长的果胶动力学机制提供了核心实验支撑。

无标记成像，直观观测果胶空间重排

本实验通过振电 UltraView 系统 SRS 无标记化学成像，可直接对体外培养花粉管原生样本开展观测，省去固定、染色等繁杂前处理，规避样本处理引入的人为假象。成像清晰揭示低硼胁迫的效应：果胶正常空间排布被打破，甲酯化果胶向亚顶端、杆部迁移，去甲酯化果胶在花粉管顶端异常堆积，造成顶端细胞壁刚性升高，进而抑制花粉管极性伸长。

亚微米分辨，解析微米尺度果胶化学异质性

花粉管顶端亚顶端属于微米级过渡微区，对成像分辨力提出极高要求。振电科技UltraView系统具备亚微米级空间分辨率，能够精准拆分花粉管顶端、亚顶端、杆部不同功能区域，分别采集810–900 cm⁻¹区间的原位拉曼光谱。通过Kmeans聚类算法对超光谱数据分簇解析，依靠特征峰强度差异，实现不同微区果胶甲酯化相对水平的半定量比对，识别细胞壁细微的组分空间异质性。

高通量数据采集，产出具备统计效力的化学依据

传统自发拉曼单张图像采集耗时数小时，很难获得足够数量的微小细胞样本用于统计学分析。UltraView的SRS成像效率大幅提升，快速批量采集多组花粉管样本，克服个体差异带来的干扰，积累具备生物学统计意义的成像与光谱数据，为完整解析低硼胁迫下苜蓿花粉管果胶动力学调控通路，提供关键的化学维度实验支撑。 

图1：SRS 相干拉曼成像下，不同硼处理苜蓿花粉管的甲酯化果胶空间分布

本研究借助振电 UltraView 多模态非线性光学显微系统的 SRS 无标记成像能力，突破传统标记方法的局限，可直接采集样本分子固有的化学键振动信号，在原生物样本上捕捉果胶的原位化学信息，实现原位高光谱化学成像。系统依托亚微米空间分辨与高速超光谱采集能力，既能解析微米尺度细胞微区的组分异质性，又可实现大批量样本快速采集，保障实验结果的统计可靠性，有效弥补传统标记成像、自发拉曼技术的固有局限，为植物细胞壁相关机制研究提供了全新的技术手段。

UltraView 同时集成了相干拉曼、双光子荧光、二次谐波成像模块，支持多维度信息同步采集，广泛适配植物科学、生物医学、材料科学等研究领域。振电科技持续迭代国产非线性光学成像装备，助力科研人员开展原位分子观测，产出高水平原创科研成果。