利用金相显微镜时代的技术打开一个通往显微镜世界的新视窗

tgjcaikon · 发表于 2010-7-13 15:23:20

1]几年后，随着科学家对园艺作物害虫有新的看法，你将有更好机会得到漂亮而不得病的猩猩木、菊花或者秋海棠。
[2] 和对火星表面进行拍照时使用的技术相同，农业科学家也用太空技术装备起来，正在探测苗圃中作物的叶子，观察杀虫剂和生物控制有机体发挥的最大效力。在俄州伍斯特市农业研究所应用技术研究部工作的植物病理学家查尔斯•克罗斯做上述表示。。
[3] 与国家宇航局任务控制中心不同，这一工作源于伍斯特市新建造的分子和细胞造影中心。该中心[是农业研究所(ARS)和俄州州立大学(OSU)的合资企业]拥有4台最先进的显微镜： 2台扫描电子显微镜，1台透射电子显微镜和1台能产生三维荧光图像的共焦激光扫描显微镜。这些显微镜都有数字成像功能，这些功能原来是为研究行星表面及其卫星进行的太空项目而制造的望远镜和摄像机研制的。
[4] 该中心（正式名称叫做电子显微技术实验室）也配备有1台高通量DNA程序器，因而，科学家们可以进行基因和分子研究。
[5] “该实验室由OSU 和 ARS各领域科学家共同平等使用，”位于伍斯特市的OSU俄州农业研究与发展中心主管史蒂芬•斯拉克说。 “要不是我们跟ARS有密切伙伴关系，我们原本不会得到这么好的设备。”
探测叶面
[6] 这些先进的显微镜及相关设施使克罗斯及其同事得以密切观察植物叶面的生态环境（也就是真菌和细菌生活的世界）的好坏。克罗斯观察到杀真菌剂、杀细菌剂、杀虫剂和除草剂流淌在蜡质叶面的叶峰和叶谷之间，就像水流淌在地球这个行星上一样。科学家们跟踪杀虫剂以观察它们是否抵达植物叶子的底面，也就是病害和其他害虫往往会发动袭击的地方。植物样本来自与克罗斯和同事密切合作的俄州很多商业苗圃和温室。
[7] “新中心提供的能力将会帮助我们更好地评估一种特定杀虫剂如何抵达害虫，杀虫剂的运用如何始终如一，以及喷雾器和其他洒施机工作情况等问题，”ARS应用技术研究部主管罗斯•布拉齐说。
[8] 克罗斯表示同意： “我们现在将能看到以前只能靠猜测得出的结论。” 他早已使用显微镜观察真菌孢子，也就是现于长星星病的苹果叶面，导致苹果褐斑病的真菌孢子。他观察到，在孢子附近有一种控制这些孢子生长的杀真菌剂的晶体。孢子一旦形成，就通过风吹传播；被雨水或灌溉冲刷掉；或者被昆虫、动物或人碰掉。
[9] 克罗斯也已观察到附近出现灰霉菌病。由灰霉病菌导致的这种病是一种给温室经营者造成很大花费的常见病。灰霉菌感染水果、花朵和树木，看起来像灰色的绒毛，常见于枯萎的花朵和柔软成熟的水果。它首先袭击枯死或正在枯死的植物枝条，然后再移动到健康部位。当采摘受感染的花朵或树叶时，通常可以看到一个灰白色的真菌孢子斑点。
[10] 它们只是许多真菌害虫或细菌害虫中的其中两种，这些害虫导致年收入高达120亿美金的苗圃和花卉业（美国农业中增长最快的领域之一）损失不小。它们也是能把一个高尔夫球染成绿色和破坏珍贵景观植物的害虫，更不用说玉米、豌豆、小麦及其他主要粮食作物了。
百万倍的放大率
[11] 这些新型的金相显微镜及其相关设施为科学家提供了更大的放大率——直达45万倍；相比较，常规扫描金相显微镜放大率为7.5万倍。透射电子显微镜可以放大至100多万倍。所有新金相显微镜的图像分辨率，或者说清晰度，更高更好。
[12] “举例说，其中一个叫做冷场致发射金相显微镜的扫描电子金相显微镜的分辨率，比过去常规扫描电子金相显微镜的分辨率高5倍。 “我们能清楚看到小到15埃大小的东西，而不是70埃。 1埃相当于氢原子直径大小，我们要观察的很多结构（比如病毒和细胞小器官），其大小在100 到 200埃之间。
真正冷式金相显微镜
[13] 冷场致发射金相显微镜消除了照射样本的常规电子源。这种电子源产生很多热（高达2,700 °F），给科学家留有很少时间观察新鲜样本，因它很快就烤干，无法辨认。自从1965年扫描电子金相显微镜得到应用以来，高温电子源已在大多数扫描电子金相显微镜中使用。但是低温金相显微镜让科学家在真实生活中实时观察杀真菌剂和细菌。
[14] 冷场致发射金相显微镜跟一个X射线分析器相连，这个分析器测定植物、害虫、生物防控机体和杀虫剂的化学结构和物理结构。 “我们不但能看到杀真菌剂的作用范围，还能够辨别杀虫剂残留物中的化学物质。”克罗斯说。这一能力让该研究小组能够辨别杀真菌剂晶体和相似的无关尘埃和污垢。 “我们利用所有这些设备回答该产业新杀真菌剂的效用问题（不管是化学方面的，还是生物方面的），和新型喷洒设备的性能问题，”他说。他把使用这些金相显微镜分析植物疾病和杀虫剂的方法叫做“电子束分析法”。
[15] 科学家们的解释应该有助于苗圃和温室企业生产出美化我们的家园和邻近地区的植物，获得更大利润。
[16]贾斯汀•马罗塔认为，他在俄州贝尔维尔市的温室里种植的几百种倒挂金钟就属这种情况。他帮助科学家们做了一项关于一种静电喷涂机和一种冷雾喷雾器的比较研究。静电喷涂机有一个喷头，将杀虫剂细细的滴液带上静电，因此它们黏着着植物叶子上。冷雾喷雾器把杀虫剂喷洒成雾状或气溶胶。
[17] 马罗塔苗圃的工人喷洒过含铜杀菌剂后，科学家在冷场致发射金相显微镜下观察叶子样本，研究喷液对叶冠的渗透性。他们发现，静电喷涂机比冷雾喷雾器喷洒得均匀。
[18] “单单只检验这一结果是否适用于这次研究所在的环境，尚需进行多次实验，更不用说其他情况了，”克罗斯说。 “但是，对该设备的第一次试验表明，它能很好地处理新鲜样本，使我们能够直接观察植物——寄生菌——杀虫剂的相互作用。
[19] 另一台新的扫描电子金相显微镜具有可变压力性能，该性能使科学家能够在低放大倍数和低压力下扫描植物样本，避免高压可能对组织造成的破坏。克罗斯说，它在新旧金相显微镜之间起到了中介物的作用。
[20] 第三台新仪器叫做透射电子金相显微镜。它透过超薄组织切面把电子发射过去，来观察细胞内部的微小结构，而不是扫描细胞的表面。
观察植物空间的三维结构
[20] 第四台金相显微镜，是较早配备的，叫做共焦激光扫描金相显微镜。它扫描标本的任意“切片”，然后用计算机把它们制成植物或动物细胞结构的三维图像。如果用上一种荧光染料，它可以显示植物对疾病的反应情况。
[22] “既然当时并不真正把样本切片，我们可以看到没有受到伤害的活细胞、组织和有机体的横切面。这就是说，随着时间的推移，我们可以观察病菌或病毒入侵植物组织的过程。”克罗斯说。 “农业大学或学院很少有这种金相显微镜。”
[22] 克罗斯计划评估为防治苹果褐斑和长星星病的果树而在苗圃使用过的喷雾器和杀真菌剂的性能和作用。他还计划做些试验来研究像氯化钙（和防冻用的食盐为同一物质）之类更安全的杀真菌剂，以防治灰霉菌病。
[24] 克罗斯还计划检测喷雾器的喷液作用范围，和温室为在空中喷洒杀虫剂所用烟雾弹的作用范围。 “这将使我们能够确切了解，喷液留下多少残留物，什么时候这种残留物变干，因此该行业和美国环保局将了解工人在杀虫剂使用后需要呆在温室外多久，”克罗斯说。
[25] “我们想尽可能利用最安全的工艺，帮助该产业实现尽量少使用杀虫剂和尽量多使用安全杀虫剂的承诺。
夜间喷洒杀虫剂的机器人
[26] 设在首都华盛顿的美国苗圃与景观协会(ANLA)认为这项研究非常有希望。作为全国花卉栽培和苗圃研究计划的一部分，该行业连同美国农业部、俄州州立大学和其他公立大学，正同位于宾州匹斯堡的卡内基梅隆大学机器人研究项目和俄州伍斯特市杀虫剂应用技术研究项目进行协作。
[27] “设想一下，晚上，当所有工人回家后，在温室和苗圃的土地上用机器人喷洒杀虫剂。对于EPA（环保局）规定的任何重新进入温室的时间限制安全规定来说，这将提前12小时，因为温度比较低，杀虫剂的毒性对植物危害不很大。风也较小，会最大程度地减小杀虫剂的飘荡”ANLA 园艺作物研究主管阿什比•潘普林说。 “把机器人技术和克罗斯及同事正在使用的复杂分析方法结合起来，以此完善杀虫剂施放器，该产业前景将大有希望。
[28] “克罗斯和他的部门是从事该行业工作的联邦科学家的模范——他们真正能倾听我们要说的话。这一计划已经创造了一种团队方式，一种协调众多不同地域从事同一研究工作的科学家协同攻关的方式。只有ARS，连同其全国实验室网络，处于促成这种结果的位置，”潘普林说。这一计划建议，ARS首个年度经费增加2970万美元，其中包括480万美元收割后的研究经费。部分资金将拨给卡内基梅隆大学和伍斯特的研究人员。
[29] “这种伙伴关系远非资金和有形的大楼那么简单，”斯拉克说。 “它是为共同事业团结协作的精神。我们在一起工作时，有共同的目标，相互取长补短。这是不折不扣的合作共赢的好典范。它有助于每个组织达到和超过自己的目标。

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