小扁豆內(nèi)皮層及凱氏帶三維顯示效果的研究

0采用光學(xué)信息解析葉橫切葉片的二維投影式圖像在解剖學(xué)研究中，通常使用石蠟片和透射光對(duì)植物結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)顯微鏡觀察。觀察和獲得的圖像是圖像的二維投影平面圖像。這種平面圖像常常無法顯示出所觀察到的組織和細(xì)胞的立體形態(tài)與結(jié)構(gòu)特征,并因此導(dǎo)致人們對(duì)植物體的一些微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)。在光學(xué)顯微鏡的成像光及其二維投影式的平面圖像中,蘊(yùn)含著豐富的、有關(guān)成像物體的微觀組織和細(xì)胞的三維立體結(jié)構(gòu)及物質(zhì)成分等多方面的光學(xué)信息。但遺憾的是,人們對(duì)此平面圖像習(xí)以為常,沒有人去考慮如何從光學(xué)顯微鏡的成像光及其照片中獲得相關(guān)組織和細(xì)胞的三維立體圖像和其他信息。筆者曾提出一種立體制片的概念,但在目前它只能通過制作橫切片與表皮的連片來實(shí)現(xiàn)成像物體的三維立體結(jié)構(gòu)觀察。筆者新近還提出了一種對(duì)解剖學(xué)數(shù)碼照片的光學(xué)信息進(jìn)行解析的概念和簡(jiǎn)單方法,初步實(shí)現(xiàn)了將葉橫切制片的二維投影式的平面圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂腥S立體效果的圖像,顯示出二維投影式的平面圖像所無法顯示出的一些結(jié)構(gòu)信息。這種經(jīng)光學(xué)信息處理后的葉結(jié)構(gòu)數(shù)碼照片,竟能與K.伊稍《種子植物解剖學(xué)》(第二版)的“新鮮冰凍破裂的菜豆(Phaseolusvulgaris)葉子的掃描電鏡下觀”照片相似,具有三維立體效果。由此不難看出,光學(xué)顯微鏡成像光及其數(shù)碼照片的光學(xué)信息解析優(yōu)勢(shì),但除葉結(jié)構(gòu)之外再未作進(jìn)一步的嘗試。小扁豆(LensculinarisMedic.)是一種小雜糧作物,雖然只在中國的部分省區(qū)有種植,但其營(yíng)養(yǎng)成分比較豐富,具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,其抗逆性新品種的選育具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。在植物根的初生結(jié)構(gòu)中,內(nèi)皮層及凱氏帶結(jié)構(gòu)具有重要的生理作用,控制著維管柱內(nèi)、外物質(zhì)的進(jìn)出,正確地認(rèn)識(shí)內(nèi)皮層和凱氏帶的結(jié)構(gòu),對(duì)理解植物的生理活動(dòng)、抗逆性反應(yīng)和進(jìn)行新品種選育都有重要意義。但通常光學(xué)顯微鏡所觀察到的內(nèi)皮層及凱氏帶的解剖學(xué)照片都是二維投影式的平面圖像,其中的凱氏帶僅是一條著色較深的帶,其具體結(jié)構(gòu)難以從中獲得更多的詳細(xì)信息。若能夠利用光學(xué)信息解析的方法將其二維投影式的平面圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂腥S立體效果的圖像,將會(huì)獲得更多有關(guān)內(nèi)皮層及凱氏帶的結(jié)構(gòu)信息。本研究擬利用石蠟制片技術(shù)和普通光學(xué)顯微鏡,對(duì)小扁豆內(nèi)皮層及凱氏帶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,并將其二維投影式的平面圖像通過光學(xué)信息解析轉(zhuǎn)變成具有三維立體效果的圖像,以獲得對(duì)小扁豆內(nèi)皮層及凱氏帶結(jié)構(gòu)的正確認(rèn)識(shí)。同時(shí),本研究還將進(jìn)一步驗(yàn)證對(duì)光學(xué)顯微鏡成像光及其數(shù)碼照片的光學(xué)信息進(jìn)行解析的可行性和意義,以引起人們對(duì)光學(xué)顯微鏡成像光及其數(shù)碼照片的光學(xué)信息解析研究的重視,推動(dòng)其向前深入發(fā)展。1材料和方法1.1小加大豆種子萌發(fā)育苗在河南省洛陽市市場(chǎng)上購買小扁豆種子,經(jīng)過水培或沙培,得到小扁豆種子萌發(fā)幼苗。當(dāng)種子萌發(fā)生長(zhǎng)到5~7天后,收獲幼苗,洗凈后用于石蠟制片,部分收獲的幼苗存放在70%左右的酒精溶液中備有。1.2測(cè)試方法1.2.1材料的包埋、切片將幼苗的根莖切下,在70%酒精溶液中用番紅染色。染色后,對(duì)材料進(jìn)行石蠟包埋。包埋后,對(duì)小扁豆的根段蠟塊進(jìn)行徒手切片;切片后,將蠟片卷轉(zhuǎn)移到涂有蛋清粘片劑的載玻片上,烘烤展片后進(jìn)行脫蠟,脫蠟后采用番紅-固綠雙重染色進(jìn)行染色、制片。1.2.2相位檢測(cè)方法1.2.3照片的放大處理將小扁豆內(nèi)皮層及凱氏帶的數(shù)碼照片復(fù)制到Word文檔中,沿著照片的一角對(duì)照片進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠡蚩s小后,對(duì)其選中,使其成為“負(fù)片”,然后按一下鍵盤上的“PrtSc”(即PrintScreen,打印屏幕)鍵,將屏幕圖像粘貼到word文檔中,經(jīng)剪切和沿著照片的一角對(duì)照片進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠡蚩s小后,獲得小扁豆內(nèi)皮層及凱氏帶的光學(xué)信息解析照片。2結(jié)果與分析2.1凱氏帶的結(jié)構(gòu)在光學(xué)顯微鏡下對(duì)小扁豆幼根的橫切片進(jìn)行觀察時(shí),可以清楚地觀察到內(nèi)皮層細(xì)胞中有一條粗而色深的帶狀結(jié)構(gòu),此即“凱氏帶”(圖1)。在橫切片上,它是一個(gè)繞維管柱而生的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。對(duì)其放大后,可進(jìn)一步觀察其結(jié)構(gòu),但圖中顯示的圖像為二維投影式的平面圖像,不具有三維立體圖像的特點(diǎn)(圖2)。2.2原生質(zhì)體的光學(xué)特征檢測(cè)對(duì)內(nèi)皮層和凱氏帶的數(shù)碼照片進(jìn)行光學(xué)信息解析處理后,可見照片中的細(xì)胞壁和細(xì)胞腔的色彩反差比較強(qiáng)烈,照片的三維立體效果增強(qiáng),在一些細(xì)胞腔內(nèi)還可見到脫水收縮而成的原生質(zhì)體,內(nèi)皮層內(nèi)的“凱氏帶”結(jié)構(gòu)十分明顯(圖3)。對(duì)經(jīng)光學(xué)信息解析后的照片進(jìn)行放大(圖4),可觀察到:(1)細(xì)胞壁和細(xì)胞腔的色彩反差更大,細(xì)胞及其原生質(zhì)體的三維立體感顯著增強(qiáng),不同結(jié)構(gòu)間的差異更加明顯,具有類似掃描電鏡的觀察效果。(2)在橫切片上,所謂的“凱氏帶”結(jié)構(gòu),不是細(xì)胞橫向壁上的結(jié)構(gòu),而是內(nèi)皮層細(xì)胞的原生質(zhì)體由于制片時(shí)脫水,形成一個(gè)著色較深的帶狀結(jié)構(gòu),其三維立體形狀應(yīng)是一個(gè)扁囊狀結(jié)構(gòu),其中的細(xì)胞核明顯向外突出。(3)在橫切片上,所謂的“凱氏點(diǎn)”,就是內(nèi)皮層細(xì)胞脫水收縮的、帶狀原生質(zhì)體的周緣與細(xì)胞壁相連的位置,其光學(xué)亮度與內(nèi)皮層細(xì)胞角隅處的亮度一致,說明其成分的相似性。此特征以前未見報(bào)道,有待于進(jìn)一步深入研究。3光學(xué)顯微鏡的成像光及其數(shù)碼照片人們通過光學(xué)顯微鏡在對(duì)植物內(nèi)皮層及凱氏帶的切片進(jìn)行觀察時(shí),由于所觀察到的都是一個(gè)二維投影式的平面圖像,人們因此常誤以為內(nèi)皮層上著色較深的“帶”就是凱氏帶,認(rèn)為它就是內(nèi)皮層細(xì)胞橫向壁上的木質(zhì)和栓質(zhì)化的增厚部分。對(duì)小扁豆幼根橫切片的解剖學(xué)照片進(jìn)行光學(xué)信息處理后,可清楚地觀察到內(nèi)皮層細(xì)胞上的“凱氏帶”實(shí)際上是由內(nèi)皮層細(xì)胞的原生質(zhì)體脫水收縮而形成的一個(gè)結(jié)構(gòu),在橫切片上其兩端與“凱氏點(diǎn)”相連。即使不觀察其縱切片,也不難得知所謂的“凱氏帶”,其立體結(jié)構(gòu)是一個(gè)扁囊狀的結(jié)構(gòu),其邊緣與內(nèi)皮層細(xì)胞徑向壁、橫向壁相連。可見,如果不是對(duì)小扁豆幼根橫切片的照片進(jìn)行光學(xué)信息解析,獲得具有三維立體效果的數(shù)碼照片,就很難意識(shí)到通常光學(xué)顯微鏡下所觀察到的、所謂的“凱氏帶”結(jié)構(gòu),其實(shí)不是內(nèi)皮層細(xì)胞壁上的結(jié)構(gòu),即不是橫向和徑向壁上真正的“凱氏帶”結(jié)構(gòu)。在利用普通光學(xué)顯微鏡對(duì)小扁豆幼根進(jìn)行觀察時(shí),由于組織和細(xì)胞的成分、結(jié)構(gòu)和位置等差異,形成了不同的光學(xué)信息,這些光學(xué)信息以成像光的形式被保存在數(shù)碼照片中。對(duì)其光學(xué)信息進(jìn)行解析處理,可以將保存在數(shù)碼照片中的有關(guān)成像物體的成分、結(jié)構(gòu)和位置等豐富的光學(xué)信息,以肉眼可見的不同色彩、不同光強(qiáng)等的差異形式提取、顯示出來,從而實(shí)現(xiàn)將二維投影式的平面圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂腥S立體效果的圖像。光學(xué)顯微鏡的成像光及其數(shù)碼照片中蘊(yùn)含著物質(zhì)成分、三維結(jié)構(gòu)等多種類型的、豐富的光學(xué)信息,這些信息可以通過控制切片厚度、染色反差和透明程度等得到加強(qiáng)。目前,有關(guān)光學(xué)顯微鏡成像光及其照片的光學(xué)信息解析,無相應(yīng)的理論和方法,而且只能以數(shù)碼照片為處理對(duì)象。筆者只是利用現(xiàn)有word軟件所具有的簡(jiǎn)單功能,實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)碼照片中所蘊(yùn)含的光學(xué)信息的初步解析,但還無法對(duì)成像物體的物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)和位置等更為豐富的光學(xué)信息進(jìn)行深入的解析。如果能進(jìn)一步研究、設(shè)計(jì)和開發(fā)出針對(duì)成像光及其數(shù)碼照片光學(xué)信息進(jìn)行解析的方法和軟件,將可以獲得能夠顯示出成像物體相關(guān)物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)和空間位置等信息的數(shù)碼照片,其立體感也將更加逼近掃描電鏡照片,它將使組織與細(xì)胞的成分和微觀結(jié)構(gòu)的特征及其差異更加顯明,辨識(shí)更加容易。4植物內(nèi)皮層的三維立體分析模型用普通光學(xué)顯微鏡對(duì)小扁豆幼根的橫切片進(jìn)行觀察時(shí),所觀察到的小扁豆內(nèi)皮層及凱氏帶缺乏三維顯示效果,利用光學(xué)信息解析方法則可以獲