認識電子顯微鏡(四)、超微結構- 應用篇

作者:簡萬能(中研院植物暨微生物研究所)

    以電子顯微鏡作為工具,我們觀察與研究生物樣品的課題非常廣泛,當然主要是構造與功能之間的相關,來看一些應用例子吧!

1. 構造功能:以水稻(Oryza sativa)葉片為例,葉片是行光合作用主要場所,有健康的葉片才能結豐碩的稻穀,所以瞭解水稻葉片結構組成是水稻研究的基石。水稻葉片為平行脈,除了最大的脈(中肋)外,還有大脈與小脈,兩大脈之間有5或多或少的小脈。以葉橫切面(上圖)來看,葉可分為表皮、葉肉和葉脈(維管束)。表皮分為上表與下表皮,大脈與小脈間、小脈與小脈間的上表皮(下左圖)有一群泡狀細胞,成列分佈。有沒有人注意到採收後曬乾的稻草,葉片是捲曲的?其實很多禾本科植物(水稻、大麥、小麥、芒草等等)的葉片失水後會捲曲,就是這泡狀細胞的關係。泡狀細胞(下右圖)發育成具有極大細胞腔的細胞,細胞腔絕大部分為液胞,細胞質緊薄薄的一層,但一般細胞該有的胞器都有。泡狀細胞主要功能是儲存水分,而且與外界接壤的細胞壁比一般表皮的細胞壁要薄,因此水分就是由此處散失。由於它是位於上表皮且是為數眾多的長列,因此失水後,葉片就內捲。若想了解更多水稻葉片的組成,請看我所寫的「水稻葉片形態解剖學」(https://reurl.cc/3NM0OM)。

2. 生長發育:阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)是目前研究最多的模式植物,特點為基因組小、生長週期短、植株個體小且形態簡單和生命力強,是用於研究植物遺傳學、發育生物學和分子生物學的模式植物之一。阿拉伯芥的花藥初開裂釋出的花粉粒呈細長的橄欖狀,花粉型態三溝孔。待抵達柱頭後,橄欖狀的花粉粒吸水而膨大(左圖)。成熟的花粉粒共三個細胞(右圖),兩顆相連且具長尾的精細胞在營養細胞中。營養細胞內有大量的儲存物質,包括油滴、蛋白質體、多醣類囊胞和澱粉體,這些儲存物質將為花粉管萌發進行授精時所用。

3.生理變化:植物是地球上的生產者,可以吸收太陽光與二氧化碳製造成葡萄糖,這是在葉綠體內執行的。植物葉綠體在黑暗中生長時,內囊膜會堆疊成六角晶格狀的原片層體(左圖)。當照光後(右圖),葉綠體會膨大,原片層體解開而釋出內囊膜,此時光合作用蛋白亦開始鑲嵌在內囊膜上。

4. 功能基因:植物行光合作用製造養分的主要地點是葉片上的葉綠體,而光合作用可分為光反應和暗反應。光反應在內囊膜上進行,是吸收光線轉成能量以供暗反應產生葡萄糖,而暗反應是在基質中進行。就植物生理學而言,光合作用形式可分為C3、C4和CAM。C3植物(如水稻)是光反應和暗反應是在葉肉細胞內葉綠體進行;C4植物(如玉米)光反應是在葉肉細胞內葉綠體進行,而暗反應則在束鞘細胞葉綠體進行,光反應與暗反應有空間上的隔離;CAM植物(如仙人掌)是葉肉細胞葉綠體白天進行光反應,晚上則進行暗反應,光反應與暗反應有時間上的隔離。一般認為C4植物的光合作用效率要比C3植物高,而且較能夠適應乾旱的環境。水稻是亞洲人的主要食糧,它是C3植物,若能將其改造成C4植物,則能夠提高產能,也能增加栽種面積。因此利用基因轉殖技術,將部分C4的基因讓它在水稻葉片表現,若有表現則它所產生的C4光合作用蛋白質會取代C3光合作用蛋白質的位置而鑲嵌內囊膜上。C3與C4光合作用蛋白質大小不同,因此量測內囊膜囊腔的距離則可判斷基因是否有表現?

5. 基因衍生物追蹤:基因衍生物就是蛋白質,蛋白質是細胞新陳代謝的執行者,因此蛋白質的種類、生成、分布與多寡對細胞的功能而言非常重要。蛋白質個體很小,在細胞中幾乎無法直接辨識,不論樣品處理是用超薄切片(左圖)或是冷凍蝕刻(右圖)技術,但是我們可以用間接辨識方式來確認特定蛋白質的存在與否。間接辨識方式就是利用免疫定位技術,依據抗原(蛋白質)與抗體之間的相關,而抗體上接有一小顆的膠體金,膠體金電子束穿透不過,影像呈現一小黑色顆粒。當利用特定蛋白質做成的抗體(接著膠體金)去辨識細胞中的抗原(特定蛋白質)時,若發現金顆粒則是細胞中有此特定蛋白的存在,由金顆粒的存在與否、分布與數量,可以瞭解蛋白質在細胞中的存在與否、分布與多寡。

6. 生物工廠:以酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)為例,酵母菌影響著人類生活已久,舉凡釀酒、烘焙製造等傳統發酵產品都是。而特定酵母菌可製成單細胞蛋白,作為蛋白質營養劑或製成飼料供動物食用。部份酵母菌甚可生產一些高價產物如泛素Q10、麸甘胱肽、超氧歧化酶及工業上各式有用的酵素、蛋白質及各式代謝產物等,除此之外,一種食用酵母菌(Sacchaaromyces boulardii)可作為益生菌,這種腸道益生菌可以拮抗腸道中的病原菌和治療慢性腹瀉症。酵母菌和裂殖酵母菌,亦常作為學術基因遺傳、細胞生理、細胞分化等學術研究之主要模式。甚至在基因工程領域中,選殖後的基因常植入酵母菌中,以進行選殖基因產物的生產。

7. 生物塑膠:假單胞菌 (Pseudomonas sp. )為常見於土壤中的微生物細菌,將之置入苯乙烯油中,而這些微生物會將苯乙烯油視為碳的來源,將聚苯乙烯(俗稱保麗龍)轉變成具生物分解性的塑膠材料聚羥基羧酸酯,聚羥基羧酸酯已被廣泛使用在醫療及其他領域。篩選假單胞菌不同的種類與菌株,尋找聚羥基羧酸酯產生率最高且符合經濟效應者是研究者積極努力的方向。假單胞菌 (strain L8)的內部微細結構,聚羥基羧酸酯是累積於淡灰白色的囊胞中,由影像來統計淡灰白色的囊胞在細胞所佔的比例,以映證生化所得的實驗結果。

8. 地質演替與環境變遷:地球上的生物在自然環境中,會隨著時間發生演替現象,即一群生物會因時間與環境變化而被另一群生物所取代,這種演替現象是一直進行的。在演替的過程中,曾存在的部分生物會留下生物訊息,並不會隨著時間而消失。這些生物訊息包括了微生物的外殼或是植物的孢子與花粉。譬如說,我們在蓮華池山頂上採了土壤樣品,經過分析與觀察,裡面有許多只生長於海洋的微生物殘骸,是不是證明了台灣原是沉於海平面下,因為地殼的變動而隆起?再如我們在夢幻湖旁以管子向下採取20公尺的土壤樣品,以20公分(或是50公分)為一單位,分析與觀察每層單位的生物訊息,可以知道每層當時生存的生物,由生物訊息的變化可以推論自然演替的狀況與環境的變遷。

9. 生質能源:經紋球藻為微藻的一種,微藻現今的兩大功用為營養食品和生質能源。有些種類的微藻具有豐富且均衡的營養成分,其生長迅速易於大量繁殖,是理想的單細胞蛋白質的來源。另外有些微藻可利用光合作用把空氣中的二氧化碳固定下來,轉化生成油脂,熱門的研究對象有單胞藻和小球藻,經紋球藻也是其一。在適當的培養情況下,施予某一因子的壓力,微藻細胞內即生成大量的油滴。

10. 生態調查:綠島於2006 年發生大量珊瑚死亡事件,原因為受到如黑色覆蓋物之海綿入侵所引起,簡稱「黑病」。經採樣,發現有一單細胞圓球形藍綠菌與海綿共生(左圖),經外觀與分子序列比對為一新種藍綠菌。而綠島海域有著大量的海洋細菌SA1(右圖),其具有單一染色體,有致病的基因組,因此可能危害所在的生物體。