生物電子顯微學技術在農業高等院校研究生教學中的應用與實踐

王金泉 吳輝 王琦 翟少華

摘要：電子顯微鏡是一種超微結構分析精密儀器，主要用于觀察被檢測樣品的內部結構和表面形態特征變化的研究。隨著電鏡功能和檢測技術的不斷發展，其與農學、動物醫學、動物科學、園林、食品與藥品、草業與環境等農學生命科學科的應用越加緊密。在農業高等院校研究生教學中開設《生物電子顯微鏡技術課程》，可以有效地提升各學科整體教學質量和科研能力，為提升農業高等院校教學和科研發揮著重要作用。

關鍵詞：生物電子顯微學；農業高等院校；研究生；教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）30-0152-02

電子顯微鏡是一種超微結構分析精密儀器，主要用于觀察被檢測樣品的內部結構和表面形態特征變化的研究。隨著電鏡技術的不斷發展與農學、動物醫學、動物科學、園林、食品與藥品、草業與環境等農學生命科學科的應用越加緊密[1]。在農業專業學科的教學和科研中，可通過電子顯微鏡對動物和植物細胞的細胞壁、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），以及細菌的特殊結構；微生物超微結構如：菌體鞭毛、菌毛、芽孢、莢膜等結構、病毒的囊膜、衣殼、霉病菌菌絲和孢子等形態，以及化工材料的化學結構元素分析，含水樣品、含油樣品、放氣樣品、加熱樣品、冷凍樣品進行觀察工作。因此，在農業高等院校研究生教學中開設《生物電子顯微鏡技術課程》，可以有效地提升各學科整體教學質量和科研能力，為教學和科研服務。

一、《生物電子顯微學技術》課程的教學內容與要求

1.《生物電子顯微學技術》課程的理論教學內容。《生物電子顯微鏡技術》理論課程20學時，教學內容包括：電子顯微鏡的發展與應用、透射電子顯微鏡原理與制樣、掃描電子顯微鏡原理與制樣、免疫電鏡細胞化學技術、冷凍切片技術與冰凍蝕刻、酶電鏡細胞化學技術、電鏡放射自顯影技術、生物大分子電鏡超微細胞化學技術、電鏡原位分子雜交技術。

2.《生物電子顯微學技術》課程的實驗教學要求。在實驗教學中要使學生掌握儀器的基本操作方法，生物樣品超薄切片技術、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、生物電子顯微鏡技術在農學專業研究生教學中的應用

1.免疫電鏡細胞化學技術在農學專業研究生教學中的應用。免疫電鏡技術是免疫化學技術與電鏡技術結合的產物，根據抗原抗體的高度特異性結合原理，用高電子密度的標記物（如：金、鐵蛋白等）在超微結構水平上檢測某些抗原性物質的定位、定性、半定量的一種方法[2]。目前免疫電鏡技術主要包括酶免疫電鏡技術、免疫鐵蛋白技術和免疫膠體金技術，此外還有抗體雜交技術、凝集素電鏡標記技術和鐵蛋白-抗鐵蛋白電鏡復合物技術。可用于農業作物抗旱、抗旱品種選育，品種間生長發育組織學特性表征抗原的定位分析；動物疾病微生物學鑒定、診斷和致病機制研究；動物組織胚胎發育，干細胞誘導發育研究，動物腫瘤的組織學診斷；林果品種發育結構特征等領域的科研研究。

2.冷凍切片技術與冰凍蝕刻在農學專業研究生教學中的應用。冷凍切片技術是利用液氮快速冷凍技術，在冷凍超薄切片機中進行冷凍切片。省去了傳統的戊二醛/俄酸固定、乙醇脫水、丙酮置換等有機溶劑操作過程，避免了化學藥劑的處理，樣品結構、成分不發生變化，實現快速固定，快速制片、快速研究與診斷的能力，保持了細胞或組織的生物活性物質的原始狀態。冷凍蝕刻技術是利用物理冷凍斷裂方法對生物樣品組織細胞進行斷裂和復型相結合的制備透射電鏡樣品技術，用透視型電子顯微鏡觀察細胞或細胞器的內、外表面微細的三維結構或膜內微細結構分析的方法[3]。可用于動植物新鮮組織細胞的超微結構、生物大分子和某些元素在組織內分布、免疫抗原電鏡標記、細胞酶活性標記、電鏡放射自顯影等細胞的化學和細胞成分的定量定性分析。

3.酶電鏡細胞化學技術在農學專業研究生教學中的應用。電鏡酶細胞化學技術是通過酶的特異性細胞化學反應來顯示酶在細胞內的定位技術。一般先將酶原位固定在細胞內，再使它與特定的底物起反應，底物的分解物經過捕捉反應沉著于發生分解的原位上，最后使沉著物變為在電鏡下可以看到的物質。在整個處理過程中必須保存酶的活性不受破壞。目前能在電鏡下定位的酶有三大類即水解酶、氧化還原酶和轉移酶[4]。

電鏡酶細胞化學技術可應用于農作物棉花、小麥、玉米、水稻等作物的生長發育、品種選育、營養成分檢測等方面研究；動物生長代謝機制、不同畜禽品種間組織細胞形態學和生理生化機制差異；牛、羊等畜產品貯藏方法和無公害研究；動物超微解剖學、動物生理功能機制、動物發病機制、動物病原微生物形態、動物免疫學機制、動物藥物作用機理、藥物成分和結構等方面研究工作。

4.電鏡放射自顯影技術在農學專業研究生教學中的應用。放射自顯影技術是利用放射性核素所產生的射線作用于感光乳膠的鹵化銀晶體而產生潛影，再經過顯影定影處理，把感光的鹵化銀還原成黑色的銀顆粒，即可根據這些銀顆粒的部位和數量分析出標本中放射性示蹤物的分布，以進行定位和定量分析[5]。可通過放射自顯影技術定位功能，對組織樣品的結構研究和目的成分檢測進行分析，可應用于動物組織細胞的活性蛋白表達、活性物質的組織分布、檢測物質的組織定位，以及腫瘤、免疫疾病、傳染性疾病的特異性診斷；生物肥料物質的吸收及植株內的動態分布，抗旱、抗旱功能蛋白的組織內定位，組織內的原位雜交等功能研究。

5.生物大分子電鏡超微細胞化學技術在農學專業研究生教學中的應用。生物大分子是構成生命的基礎物質，包括蛋白質、核酸、碳氫化合物等。由于其低相對分子量的有機化合物經過聚合而成的多分子體系。生物大分子在各種生物活性和在生物新陳代謝中發揮重要作用[6]。通過電子顯微鏡技術可以觀察生物大分子的理化特性及空間構像與功能研究；核酸分子的形狀和長度、雙鏈或單鏈的區分、根據長度計算核酸的分子量；進行異源雙鏈分子分析、分子雜交、轉錄復合體、核酸蛋白質復合體等研究；基因組織結構、基因片段的缺失、斷裂基因、插入或倒置、基因定位及堿基組成特征等方面的研究。應用范圍涉及到生物化學、細胞生物學、微生物、遺傳發育、食品、藥理、生理、醫學、病理、植物、神經科學等的研究工作。

6.電鏡原位分子雜交技術在農學專業研究生教學中的應用。原位雜交技術是利用核酸分子單鏈之間有互補的堿基序列，將有放射性或非放射性的外源核酸（即探針）與組織、細胞或染色體上待測DNA或RNA互補配對，結合成專一的核酸雜交分子，經一定的檢測手段將待測核酸在組織、細胞或染色體上的位置顯示出來[7，8]。自Gall和Pardue建立了原位雜交技術以來這一技術為基因的定位和表達、基因進化、發育生物學、腫瘤學、微生物學、病毒學、醫學遺傳學和遺傳分析等領域研究提供了極其寶貴的資料，發揮了其他技術難以取代的作用，近年來這一技術的應用領域逐漸向電鏡水平發展以提高檢測的分辨率。

三、展望

電子顯微鏡技術在生命科學的研究和應用地位日顯重要，其穩定性、操作性的改善，更高分辨率依舊是電鏡發展的最主要方向。高性能場發射槍電子顯微鏡日趨普及和應用、電子顯微鏡分析工作邁向計算機化和網絡化、高性能CCD相機日漸普及應用、低溫電鏡技術和三維重構技術等電鏡新興檢測技術的發展，可以為生命科學的研究提供重要的研究工具，可以極大地提升生物形態學的發展進程。也可為農業生產、科學養殖、動物疫病、林果產業、水土資源、水利水電、化工工業的發展和科研提供技術條件，為新疆整體科研實力的提升和農業高校的學科建設與發展，提供科研平臺[9，10]。

參考文獻：

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[7]何玉英，李健，劉萍.原位雜交技術及其在水產養殖中的應用[J].海洋水產研究，2005，26（01）：74-79.

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[10]杜三明，趙飛.探索與實踐：《材料電子顯微分析技術》課程的教學改革探討與實踐[J].教育教學論壇，2011，（20）：123-124.