電子顯微鏡技術(shù)在農(nóng)業(yè)高等院校教學(xué)中的應(yīng)用

翟少華+王金泉+張曉紅+劉朝暉+姚剛

摘要：電子顯微鏡技術(shù)主要用于觀察樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)特征變化的研究，在農(nóng)業(yè)高等院校教學(xué)和科研中發(fā)揮著重要作用。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)在動物醫(yī)學(xué)、動物科學(xué)、農(nóng)學(xué)、園林、食品與藥品、草業(yè)與環(huán)境、水利、機(jī)械交通等農(nóng)學(xué)學(xué)科專業(yè)開設(shè)《電子顯微鏡工作原理與應(yīng)用》公共選修課，使學(xué)生掌握電子顯微鏡應(yīng)用技術(shù)，為農(nóng)業(yè)專業(yè)的人才培養(yǎng)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：電子顯微鏡技術(shù)；農(nóng)學(xué)專業(yè)；教學(xué)；應(yīng)用

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)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(jié)構(gòu)精密分析儀器，主要用于研究樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)特征的變化，在動物、植物、生物、醫(yī)藥、物理、化工材料等自然科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用[1，2]。近年來，隨著電鏡技術(shù)的不斷發(fā)展與其他技術(shù)學(xué)科的緊密結(jié)合，在動物醫(yī)學(xué)、動物科學(xué)、農(nóng)學(xué)、園林、食品與藥品、草業(yè)、水利、機(jī)械交通等農(nóng)學(xué)門類自然學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛。因此，在農(nóng)業(yè)高等院校本科和研究生教學(xué)中開設(shè)《電子顯微鏡技術(shù)》課程，可以為各專業(yè)學(xué)科的教學(xué)提供技術(shù)支持。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)將《電子顯微鏡工作原理與應(yīng)用》課程設(shè)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(xué)科整體教學(xué)質(zhì)量和科研能力。

一、《電子顯微鏡工作原理與應(yīng)用》課程的教學(xué)內(nèi)容與要求

1.《電子顯微鏡工作原理與應(yīng)用》課程的教學(xué)內(nèi)容?！峨娮语@微鏡工作原理與應(yīng)用》課程理論教學(xué)內(nèi)容包括：電子顯微鏡的概述、組織超微形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能、透射電鏡的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)、電鏡樣品制備實(shí)例，共九個部分。本科生理論課教學(xué)10學(xué)時，研究生理論課教學(xué)20學(xué)時。

《電子顯微鏡工作原理與應(yīng)用》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容包括：電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)教學(xué)20學(xué)時，研究生理論課教學(xué)30學(xué)時。

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

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要使學(xué)生掌握儀器的操作方法，如超薄切片技術(shù)、半薄切片技術(shù)、負(fù)染技術(shù)、細(xì)胞化學(xué)定位技術(shù)、掃描電鏡臨界點(diǎn)干燥技術(shù)、離子濺射技術(shù)、細(xì)胞冰凍蝕刻技術(shù)等樣品制備方法，使學(xué)生能夠?qū)W會運(yùn)用電子顯微鏡技術(shù)對動植物組織細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)和功能的研究方法和技術(shù)手段。

二、電子顯微鏡技術(shù)在農(nóng)學(xué)門類高等院校教學(xué)中的應(yīng)用

1.電子顯微鏡技術(shù)在農(nóng)學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。透射電子顯微鏡可以觀察植物細(xì)胞的細(xì)胞壁、生物膜、葉綠體、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、微體、中心體、細(xì)胞骨架和細(xì)胞質(zhì)內(nèi)含物（如糖原、脂類、蛋白質(zhì)），以及核膜、染色質(zhì)、核仁的超微結(jié)構(gòu)形態(tài)，通過對超微結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)和了解植物的生理代謝過程、病理變化機(jī)制，以及在外界因素的影響而導(dǎo)致形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的改變[3，4]。為植物學(xué)、植物生理學(xué)、植物病學(xué)、植物生物學(xué)等學(xué)科學(xué)習(xí)奠定了理論基礎(chǔ)，也為植物超微形態(tài)學(xué)的研究提供了技術(shù)手段。

2.電子顯微鏡技術(shù)在動物醫(yī)學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。在動物微生物學(xué)教學(xué)中，因病原微生物粒徑微小，光學(xué)顯微鏡難以識別其特有結(jié)構(gòu)，而通過TEM可以清晰地觀察到細(xì)菌的特殊結(jié)構(gòu)，如菌體鞭毛、菌毛、芽孢、莢膜等結(jié)構(gòu)；病毒的囊膜、衣殼；霉病菌菌絲和孢子形態(tài)。通過電子顯微鏡的學(xué)習(xí)可以有助于學(xué)生對病原學(xué)的識別與理解，電子顯微鏡是病原學(xué)教學(xué)的有效工具[5]。

在動物病理學(xué)教學(xué)中，動物機(jī)體在致病因素作用下會導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生形態(tài)和功能上的改變，通過TME可以觀察到病變區(qū)細(xì)胞的細(xì)胞器的損傷，對研究疾病的發(fā)生機(jī)制和致病機(jī)理和臨床診斷提供有力的依據(jù)。例如，在腎活檢、腫瘤診治中電鏡技術(shù)發(fā)揮了重要作用。電鏡技術(shù)與免疫學(xué)技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生了免疫電鏡技術(shù)，在超微結(jié)構(gòu)和分子水平上研究各組織細(xì)胞的形態(tài)和功能，它可以對細(xì)胞表面及細(xì)胞內(nèi)部的抗原進(jìn)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(fù)合物的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)以及免疫損傷引起細(xì)胞的病理變化[6]。

3.電子顯微鏡技術(shù)在動物科學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。動物科學(xué)教學(xué)主要針對動物營養(yǎng)與飼養(yǎng)、飼料資源開發(fā)、飼料配方與飼料工藝設(shè)計(jì)，以及飼料與飼養(yǎng)企業(yè)管理等學(xué)科的研究，旨在滿足人們?nèi)找嬖鲩L的動物副食品飲食的需求。在動物科學(xué)的教學(xué)中將學(xué)習(xí)各種動物的養(yǎng)殖（包括養(yǎng)牛、養(yǎng)羊、養(yǎng)鵝、觀賞動物飼養(yǎng)等），動物營養(yǎng)、遺傳、繁殖、獸醫(yī)學(xué)、牧草學(xué)、生態(tài)學(xué)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、農(nóng)區(qū)規(guī)劃、肉制品加工學(xué)等。在學(xué)習(xí)動物營養(yǎng)、遺傳因素以及環(huán)境因素對動物生長發(fā)育的影響，可以通過電子顯微鏡觀察動物組織細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)變化，來探討和研究動物生長發(fā)育的特點(diǎn)，因此電子顯微鏡技術(shù)是動物科學(xué)教學(xué)和研究的重要技術(shù)手段。例如：應(yīng)用掃描電鏡檢測鹿類毛的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)時可以明顯觀察到鹿毛的鱗片形態(tài)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(tài)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(shù)在食品與藥品學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。食品與藥品學(xué)專業(yè)是以生命科學(xué)、食品科學(xué)和藥品科學(xué)為基礎(chǔ)，研究食品的營養(yǎng)、藥品的安全與健康的關(guān)系，食品營養(yǎng)與安全保障、藥品的安全與人類健康，通過對食品生產(chǎn)、加工的管理和控制，保證食品的營養(yǎng)品質(zhì)和衛(wèi)生質(zhì)量，促進(jìn)人體的健康。例如：荔枝的果實(shí)在采收后3～4天即開始變褐、變質(zhì)、霉?fàn)€極不耐貯，通過用掃描電鏡技術(shù)觀察果皮結(jié)構(gòu)，果皮的鮮紅色是柵狀組織細(xì)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(xì)胞外壁薄，角質(zhì)層也薄，防止水分散失的能力差，果內(nèi)的水分可部分地通過角質(zhì)層散失到果外[8]。再如，運(yùn)用掃描電鏡對多種常見可食用淀粉顆粒的超微形貌進(jìn)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(fù)粒結(jié)構(gòu)、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(qiáng)國內(nèi)淀粉產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)管提供可靠參考[9]。

5.電子顯微鏡技術(shù)在園林專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。林學(xué)與園藝學(xué)專業(yè)是農(nóng)業(yè)的重要組成部分，學(xué)習(xí)和掌握果樹、蔬菜、花卉及觀賞樹木的栽培與繁育技術(shù)。園藝學(xué)科屬于應(yīng)用基礎(chǔ)和應(yīng)用型研究學(xué)科，是以農(nóng)業(yè)生物學(xué)為主要理論基礎(chǔ)，研究園藝作物生長發(fā)育和遺傳規(guī)律的一門學(xué)科，也是研究園藝作物起源與分類、種質(zhì)資源、遺傳育種、栽培、病蟲害防治及采后處理、貯藏加工等應(yīng)用技術(shù)與原理的綜合性學(xué)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(xì)胞形態(tài)超微結(jié)構(gòu)的變化時，采用新的中藥抑菌實(shí)驗(yàn)方法對五倍子乙醇提取物進(jìn)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(xì)菌細(xì)胞的形態(tài)改變。在電鏡下觀察經(jīng)五倍子處理的表皮葡萄球菌細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)，掃描電鏡顯示菌細(xì)胞形態(tài)大小不等，排列不整齊，大多數(shù)菌細(xì)胞的細(xì)胞壁破裂。在透射電鏡下，菌細(xì)胞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)、層次不請，胞漿膜層次不分明，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)含物大多消失，細(xì)胞漿內(nèi)包含體和染色體模糊不清[10]。再如，用掃描電鏡對黑龍江產(chǎn)十種不同科屬、不同生境的蕨類植物的孢子囊和葉表皮進(jìn)行了詳細(xì)觀察，結(jié)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(tài)特征，并表現(xiàn)出細(xì)致而穩(wěn)定的異同點(diǎn)，可作為蕨類系統(tǒng)分類的現(xiàn)代手段，能更好地應(yīng)用于疑難科屬的分類研究[11]。

6.電子顯微鏡技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。工程學(xué)是研究自然科學(xué)應(yīng)用在各行業(yè)中的應(yīng)用方式、方法的一門學(xué)科，同時也研究工程進(jìn)行的一般規(guī)律，并進(jìn)行改良研究。在農(nóng)學(xué)專業(yè)中工程學(xué)專業(yè)主要包括水利科學(xué)專業(yè)、機(jī)械與交通專業(yè)、化學(xué)專業(yè)等學(xué)科。在工程學(xué)專業(yè)中建筑材料的質(zhì)量與性質(zhì)，對于工程建設(shè)至關(guān)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(jié)構(gòu)有著重要的關(guān)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(shù)下直接觀察納米顆粒的形貌和結(jié)構(gòu)，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(shè)備之一。透射電鏡是基于傳統(tǒng)電子束技術(shù)上發(fā)展起來的，它分辨率高、放大倍數(shù)高，分辨本領(lǐng)已達(dá)到了0.1～012nm，所得到的納米圖像直觀清晰，可以揭示物質(zhì)內(nèi)部的微細(xì)結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)與生命科學(xué)領(lǐng)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(nóng)業(yè)技術(shù)快速發(fā)展的進(jìn)程中，對農(nóng)業(yè)人才專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)有了更高的要求。因而在教學(xué)過程中，就要使學(xué)生能夠更扎實(shí)地掌握其專業(yè)基礎(chǔ)知識和科學(xué)研究能力，在未來的農(nóng)業(yè)科學(xué)的研究中，對樣本顯微和超微結(jié)構(gòu)的研究也就越發(fā)深入，因而電子顯微鏡技術(shù)在農(nóng)學(xué)專業(yè)的應(yīng)用也越加廣泛。因此，將電子顯微鏡技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)高等院校的科研和教學(xué)，使學(xué)生對動植物以及材料科學(xué)超微結(jié)構(gòu)的認(rèn)識有更加清晰地了解，為農(nóng)業(yè)專業(yè)的人才培養(yǎng)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供技術(shù)保障，也可以為農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供重要的技術(shù)手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪克建，孫善全.提高研究生電鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的幾點(diǎn)體會[J].山西醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，12（3）：296-298.

[2]陶忠芬，江海東.淺談電鏡技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的體會[J].局解手術(shù)學(xué)雜志，2009，5（18）：338.

[3]項(xiàng)曉人，袁莉民，杭向前.透射電鏡超微低倍觀察植物材料的制樣方法[J].江蘇農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，1993，14（2）：79-80.

[4]吳立新，陳方玉.現(xiàn)代掃描電鏡的發(fā)展及其在材料科學(xué)中的應(yīng)用[J].武鋼技術(shù)，2005，6（43）：36-40.

[5]湯雪明，戴書文.生物樣品的環(huán)境掃描電鏡觀察[J].電子顯微鏡學(xué)報(bào)，2001，3（20）：217-223.

[6]李連宏，孫雷，唐建武.電鏡在病理診斷與醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用[J].大連醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，4（20）：8-10.

[7]孫中武，高海鈺，畢冰.鹿類動物毛的掃描電鏡分析[J].東北林業(yè)大學(xué)，2003，4（31）：29-32.

[8]潘洵操，謝寶貴.荔枝果皮的掃描電鏡觀察[J].園藝學(xué)報(bào)，1996，3（23）：227-230.

[9]王紹清，王琳琳，范文浩.掃描電鏡法分析常見可食用淀粉顆粒的超微形貌[J].食品科學(xué)，2011，（32）：74-79.

[10]李仲興，王秀華，時東彥.五倍子提取物對表皮葡萄球菌的抗菌作用及其掃描和透射電鏡觀察[J].中國中醫(yī)藥信息雜志，2004，10（11）：867-869.

[11]邢怡，黨安志，劉保東.黑龍江產(chǎn)十種蕨類植物孢子囊和葉表皮的掃描電鏡觀察[J].植物研究，2004，4（24）：413-419.

[12]劉仁林，虞功清.植物透射電鏡樣品制備技術(shù)的改進(jìn)[J].江西林業(yè)科技，2008，（1）：41-43.

基金項(xiàng)目：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)新辦專業(yè)課程建設(shè)項(xiàng)目（2013XBZY03）；新疆維吾爾自治區(qū)普通高校重點(diǎn)學(xué)科（基礎(chǔ)獸醫(yī)學(xué)）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(xué)。endprint