Raman学堂 第6期丨赛默飞显微拉曼技术如何进行植物细胞壁的研究

第六期

植物细胞壁

以农林生物质为原料的生物燃料、生物基材料等已成为发展绿色能源材料的热点，主要包括农作物秸秆、农产品加工废弃物、林木及林业生产加工产品的废弃物等，全面了解不同来源的植物细胞壁化学组成、结构特性及微区分布规律是高效利用农林生物质的基础。

拉曼光谱是一种分子振动光谱技术，样品无需或很少制备样品，无需染色，无惧水，可多次重复的进行定性/定量，微区分辨率高，信号灵敏度高。尤其是共焦显微拉曼成像的技术发展，可采用直观的化学图像显示细胞壁微区的化学成分和空间分布信息，为细胞结构和生物质产品性能研究提供有效帮助。

仪器和软件 

Thermo Scientific™ DXR™3xi 显微拉曼成像光谱仪

Thermo Scientific™ DXR™3xi 显微拉曼成像光谱仪

Thermo Scientific ™ DXR™ 3系列显微拉曼技术在植物细胞研究领域具有独特的技术和应用优势，轻松实现微纳米尺寸样品的分析。是用于植物细胞壁研究的一种快速、可靠、准确的有力工具：

• 先进的自动化和智能化光学控制系统

• 超高的检测灵敏度和空间分辨率

• 软件控制、实时到样品的激光功率精细调节专 利技术

• “一键式”操作，无需专业背景

• 功能强大、界面友好的分析软件

• 智能化特征识别与多组分自动分析鉴别功能

• 集成数学模型算法、向导操作的TQ Analyst建模软件

应用案例

 木材细胞壁成像分析 

分析纤维素和木质素在细胞壁不同区域的分布，通过木材转变过程中化学成分的变化，有助于实现木材加工、植物秸秆再利用、树木转基因等生物质基材料的深入研究。采用DXR™3xi显微拉曼成像光谱仪实现对杉木晚材（切片厚度约15um）中的一个细胞进行成像分析木质素和纤维素在次生壁（S2），胞间层（CML）和细胞角隅区（CC）的组分分布。

A：木质素的分布，以1600 cm-1 （1550 cm-1 -1640 cm-1）为中心的特征峰分布；   

B：纤维素分布1094 cm-1（1090 cm-1 -1105 cm-1）为中心的特征峰分布；    

C：纤维素分布2894 cm-1（2780 cm-1-2900 cm-1）为中心的特征峰分布；              

D：木质素分布2945 cm-1 （2820 cm-1-3000 cm-1）为中心的特征峰分布

细胞壁次生壁层（S2层，红色光谱），胞间层（CML，黄色光谱）和角隅区（CC，蓝色光谱）的拉曼光谱

玉米秸秆细胞壁成像分析 

通过研究植物秸秆的化学成分信息，可以为植物秸秆加工再利用提供有用信息。如下案例，DXR™3xi显微拉曼成像光谱分析放置在基底上的玉米秸秆早材切片（厚度约3um），选取相对完整的细胞壁进行拉曼成像分析木质素的分布情况。结果显示木质素在CC区（红色区域）的浓度相当高于S2（绿色区域），蓝色区域为基底。

西红柿细胞壁中多糖的分布[1] 

植物细胞壁的多糖结构主要包括果胶、木葡聚糖、纤维素、半纤维素、木质素等，其拉曼光谱中表现出不同的特征拉曼信号。根据其指纹特征性，DXR显微拉曼光谱仪对西红柿细胞壁中的多糖和分布进行研究。果胶在850cm-1附近具有显著地特征峰，纤维素在1098cm-1附近有较强的C-O-C糖苷键非对称振动，而2940cm-1峰强可以反映果胶、木葡聚糖和纤维素等多种糖的综合信息。据此，采用拉曼成像实现细胞角隅区域的糖组分分布。

果胶，木葡聚糖和纤维素及西红柿细胞壁的拉曼光谱及多糖在细胞壁的成像分布（B，初生壁多糖分布2940cm-1；C，果胶分布，854cm-1；D，纤维素分布，1090cm-1）

总结

采用高优异性能的DXR™3系列显微拉曼光谱仪分析植物细胞壁，不仅能同时快速测定细胞壁中主要成分的化学结构，还能准确测定纤维素、木质素、果胶等在细胞壁各形态区的分布变化规律，获得的化学/结构信息为植物的生长过程和材质改性（物理、化学、生物化学）提供理论依据，为可降解生物质材料的高效利用提供基础指导，在植物细胞水平研究中发挥着重要的作用。

参考文献

 1， Chylińska et al. Plant Methods 2014, 10:14。