電子顯微鏡技術在農業高等院校教學中的應用

翟少華+王金泉+張曉紅+劉朝暉+姚剛

摘要：電子顯微鏡技術主要用于觀察樣品的內部結構和表面形態特征變化的研究，在農業高等院校教學和科研中發揮著重要作用。新疆農業大學在動物醫學、動物科學、農學、園林、食品與藥品、草業與環境、水利、機械交通等農學學科專業開設《電子顯微鏡工作原理與應用》公共選修課，使學生掌握電子顯微鏡應用技術，為農業專業的人才培養和農業現代化發展提供技術保障。

關鍵詞：電子顯微鏡技術；農學專業；教學；應用

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）05-0069-03

電子顯微鏡包括透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡，它是一種研究物體超微結構精密分析儀器，主要用于研究樣品的內部結構和表面形態特征的變化，在動物、植物、生物、醫藥、物理、化工材料等自然科學領域的科學研究中發揮著重要作用[1，2]。近年來，隨著電鏡技術的不斷發展與其他技術學科的緊密結合，在動物醫學、動物科學、農學、園林、食品與藥品、草業、水利、機械交通等農學門類自然學科專業領域的應用更加廣泛。因此，在農業高等院校本科和研究生教學中開設《電子顯微鏡技術》課程，可以為各專業學科的教學提供技術支持。新疆農業大學將《電子顯微鏡工作原理與應用》課程設定為全校本科生和研究生的公共選修課，有效地提升了各學科整體教學質量和科研能力。

一、《電子顯微鏡工作原理與應用》課程的教學內容與要求

1.《電子顯微鏡工作原理與應用》課程的教學內容。《電子顯微鏡工作原理與應用》課程理論教學內容包括：電子顯微鏡的概述、組織超微形態結構和功能、透射電鏡的結構和工作原理、透射電鏡的操作和使用、透射電鏡的樣品制備、掃描電鏡的結構和工作原理、掃描電鏡的操作和使用、掃描電鏡樣品制備技術、電鏡樣品制備實例，共九個部分。本科生理論課教學10學時，研究生理論課教學20學時。

《電子顯微鏡工作原理與應用》課程實驗教學內容包括：電子顯微鏡的結構和使用操作、生物樣品透射電鏡制備方法、材料樣品透射電鏡制備方法、生物樣品掃描電鏡制備方法、材料樣品透射電鏡制備方法，共五個部分。本科生實驗教學20學時，研究生理論課教學30學時。

2.《電子顯微鏡工作原理與應用》課程的教學要求。（1）《電子顯微鏡工作原理與應用》課程本科生教學要求。本科生教學中主要要求學生了解電子顯微鏡的結構和操作原理，動植物組織細胞超微結構、功能和細胞表面形貌特征，理化材料的晶體結構和形貌特點，常規生物樣品和理化材料的制備技術方法。在實驗教學中要求學生了解儀器的操作方法、生物樣品的制備過程，掌握常規生物樣品和理化材料的制備技術方法，使學生能夠掌握電子顯微鏡技術在動植物組織細胞超微結構和理化材料研究中的應用。（2）《電子顯微鏡工作原理與應用》課程研究生教學要求。研究生教學中不僅要求學生要掌握電子顯微鏡的結構和操作原理，動植物組織細胞超微結構、功能和細胞表面形貌特征，理化材料的晶體結構和形貌特點，常規生物樣品和理化材料的制備技術方法，而且還要求學生掌握電子顯微鏡的細胞化學定位技術、掃描電鏡臨界點干燥技術等特殊檢測技術。

在實驗教學中要使學生掌握儀器的操作方法，如超薄切片技術、半薄切片技術、負染技術、細胞化學定位技術、掃描電鏡臨界點干燥技術、離子濺射技術、細胞冰凍蝕刻技術等樣品制備方法，使學生能夠學會運用電子顯微鏡技術對動植物組織細胞超微結構和功能的研究方法和技術手段。

二、電子顯微鏡技術在農學門類高等院校教學中的應用

1.電子顯微鏡技術在農學專業實驗教學中的應用。透射電子顯微鏡可以觀察植物細胞的細胞壁、生物膜、葉綠體、線粒體、內質網、高爾基體、溶酶體、微體、中心體、細胞骨架和細胞質內含物（如糖原、脂類、蛋白質），以及核膜、染色質、核仁的超微結構形態，通過對超微結構的學習和了解植物的生理代謝過程、病理變化機制，以及在外界因素的影響而導致形態結構和功能的改變[3，4]。為植物學、植物生理學、植物病學、植物生物學等學科學習奠定了理論基礎，也為植物超微形態學的研究提供了技術手段。

2.電子顯微鏡技術在動物醫學專業實驗教學中的應用。在動物微生物學教學中，因病原微生物粒徑微小，光學顯微鏡難以識別其特有結構，而通過TEM可以清晰地觀察到細菌的特殊結構，如菌體鞭毛、菌毛、芽孢、莢膜等結構；病毒的囊膜、衣殼；霉病菌菌絲和孢子形態。通過電子顯微鏡的學習可以有助于學生對病原學的識別與理解，電子顯微鏡是病原學教學的有效工具[5]。

在動物病理學教學中，動物機體在致病因素作用下會導致細胞發生形態和功能上的改變，通過TME可以觀察到病變區細胞的細胞器的損傷，對研究疾病的發生機制和致病機理和臨床診斷提供有力的依據。例如，在腎活檢、腫瘤診治中電鏡技術發揮了重要作用。電鏡技術與免疫學技術相結合產生了免疫電鏡技術，在超微結構和分子水平上研究各組織細胞的形態和功能，它可以對細胞表面及細胞內部的抗原進行定位，可以了解抗體合成過程中免疫球蛋白的分布情況、抗原—抗體復合物的結構細節以及免疫損傷引起細胞的病理變化[6]。

3.電子顯微鏡技術在動物科學專業實驗教學中的應用。動物科學教學主要針對動物營養與飼養、飼料資源開發、飼料配方與飼料工藝設計，以及飼料與飼養企業管理等學科的研究，旨在滿足人們日益增長的動物副食品飲食的需求。在動物科學的教學中將學習各種動物的養殖（包括養牛、養羊、養鵝、觀賞動物飼養等），動物營養、遺傳、繁殖、獸醫學、牧草學、生態學、農業機械、農區規劃、肉制品加工學等。在學習動物營養、遺傳因素以及環境因素對動物生長發育的影響，可以通過電子顯微鏡觀察動物組織細胞超微結構變化，來探討和研究動物生長發育的特點，因此電子顯微鏡技術是動物科學教學和研究的重要技術手段。例如：應用掃描電鏡檢測鹿類毛的微觀形態結構時可以明顯觀察到鹿毛的鱗片形態在科間、屬間和種間存在的差異，同種不同個體毛的鱗片形態有差異，同一個體同一根毛樣的不同部位也有差異[7]。endprint

4.電子顯微鏡技術在食品與藥品學專業實驗教學中的應用。食品與藥品學專業是以生命科學、食品科學和藥品科學為基礎，研究食品的營養、藥品的安全與健康的關系，食品營養與安全保障、藥品的安全與人類健康，通過對食品生產、加工的管理和控制，保證食品的營養品質和衛生質量，促進人體的健康。例如：荔枝的果實在采收后3～4天即開始變褐、變質、霉爛極不耐貯，通過用掃描電鏡技術觀察果皮結構，果皮的鮮紅色是柵狀組織細胞含大量花色甙所致，此花色甙流失，果皮即呈褐色。荔枝的外果皮僅有一層細胞外壁薄，角質層也薄，防止水分散失的能力差，果內的水分可部分地通過角質層散失到果外[8]。再如，運用掃描電鏡對多種常見可食用淀粉顆粒的超微形貌進行觀察，將考察的所有種類淀粉顆粒分為：塊莖形、棒形、球形、扁平形、復粒結構、棱角圓滑和棱角尖銳多面體形及腎形等類別，通過掃描電子顯微鏡對淀粉顆粒超微形貌特征上加強國內淀粉產品的質量監管提供可靠參考[9]。

5.電子顯微鏡技術在園林專業實驗教學中的應用。林學與園藝學專業是農業的重要組成部分，學習和掌握果樹、蔬菜、花卉及觀賞樹木的栽培與繁育技術。園藝學科屬于應用基礎和應用型研究學科，是以農業生物學為主要理論基礎，研究園藝作物生長發育和遺傳規律的一門學科，也是研究園藝作物起源與分類、種質資源、遺傳育種、栽培、病蟲害防治及采后處理、貯藏加工等應用技術與原理的綜合性學科。例如，觀察五倍子乙醇提取物對表皮葡萄球菌的體外抗菌活性及其在電鏡下菌細胞形態超微結構的變化時，采用新的中藥抑菌實驗方法對五倍子乙醇提取物進行表皮葡萄球菌的最低抑菌濃度測定，用電鏡觀察用藥后細菌細胞的形態改變。在電鏡下觀察經五倍子處理的表皮葡萄球菌細胞的超微結構，掃描電鏡顯示菌細胞形態大小不等，排列不整齊，大多數菌細胞的細胞壁破裂。在透射電鏡下，菌細胞細胞壁結構、層次不請，胞漿膜層次不分明，細胞質內含物大多消失，細胞漿內包含體和染色體模糊不清[10]。再如，用掃描電鏡對黑龍江產十種不同科屬、不同生境的蕨類植物的孢子囊和葉表皮進行了詳細觀察，結果表明蕨類植物的孢子囊和葉表皮在掃描電鏡下，顯示出更為豐富的形態特征，并表現出細致而穩定的異同點，可作為蕨類系統分類的現代手段，能更好地應用于疑難科屬的分類研究[11]。

6.電子顯微鏡技術在農業工程學專業實驗教學中的應用。工程學是研究自然科學應用在各行業中的應用方式、方法的一門學科，同時也研究工程進行的一般規律，并進行改良研究。在農學專業中工程學專業主要包括水利科學專業、機械與交通專業、化學專業等學科。在工程學專業中建筑材料的質量與性質，對于工程建設至關重要。例如：對納米材料特性的研究一般與粒徑的大小分布及形狀等微觀結構有著重要的關系，掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）等，可以在極高的放大倍數下直接觀察納米顆粒的形貌和結構，特別是測量納米顆粒的大小，既直觀又非常方便，所以電子顯微分析是研究納米材料的一種重要手段，而其中透射電鏡則是最常用的檢測設備之一。透射電鏡是基于傳統電子束技術上發展起來的，它分辨率高、放大倍數高，分辨本領已達到了0.1～012nm，所得到的納米圖像直觀清晰，可以揭示物質內部的微細結構，廣泛應用于材料科學與生命科學領域，是研究納米材料的常用重要分析儀器之一[12]。

三、展望

在農業技術快速發展的進程中，對農業人才專業素質的培養有了更高的要求。因而在教學過程中，就要使學生能夠更扎實地掌握其專業基礎知識和科學研究能力，在未來的農業科學的研究中，對樣本顯微和超微結構的研究也就越發深入，因而電子顯微鏡技術在農學專業的應用也越加廣泛。因此，將電子顯微鏡技術應用于農業高等院校的科研和教學，使學生對動植物以及材料科學超微結構的認識有更加清晰地了解，為農業專業的人才培養和農業現代化發展提供技術保障，也可以為農業的發展提供重要的技術手段。

參考文獻：

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基金項目：新疆農業大學新辦專業課程建設項目（2013XBZY03）；新疆維吾爾自治區普通高校重點學科（基礎獸醫學）科研啟動基金。

作者簡介：翟少華（1981-），男，黑龍江雞西人，助教，碩士，研究方向動物分子病理學。endprint