Discoverer生物型布里渊显微镜——植物力学研究的新维度
在植物生理学研究中，细胞壁的力学特性是理解植物生长、发育与环境适应的关键参数。然而，传统的力学测量方法往往需要物理接触或破坏性制样，难以在活体状态下获取植物组织内部的力学信息。Discoverer™生物型布里渊显微镜的出现，为植物力学研究提供了全新的技术路径——通过全光学非接触方式，在三维空间中对活体植物细胞与组织进行高分辨率力学成像，无需任何标记或样品制备。世联博研（北京）科技有限公司是该产品的核心合作伙伴。
一、技术原理：用“光”感知植物细胞壁的“软硬”
布里渊显微镜通过检测激光与材料内部声子相互作用产生的布里渊频移，获取样本的力学特性信息。频移越高，材料越“硬”；频移越低，材料越“软”。与原子力显微镜（AFM）等表面接触技术不同，布里渊显微镜可获取样品整个体积内的力学信息。
在乌普萨拉植物科学中心（UPSC），Discoverer系统被集成至Zeiss LSM 780共聚焦显微镜上。该系统结合了光纤耦合的780 nm激光（低光毒性）、多级色散光谱仪和先进的sCMOS探测器，自由光谱范围达15 GHz，能够检测力学特性的细微变化。系统从对准校准到数据采集和分析全自动运行，适用于不具备丰富光学经验的用户。
二、拟南芥根尖的组织特异性力学图谱
2026年发表于《Science Advances》的研究中，研究人员利用布里渊显微镜系统地表征了6天龄拟南芥幼苗根尖的四种主要组织类型（表皮、皮层、内皮层和中柱）的力学特性。
研究发现，这些组织表现出独特的、组织特异性的刚度和粘度特征。表皮在根尖分生组织附近表现出最低的布里渊频移（最软），而皮层和内皮层则保持较高值。中柱（包含维管组织）展现出独特的频移分布——在中央分生组织区域显著升高，表明这一区域的力学特性与周围组织存在明显差异。
三、单细胞级别的力学动态追踪
研究人员进一步以皮层组织为模型，追踪了单个细胞在发育过程中的力学演变。研究发现：
分生组织区：纵向与横向细胞壁的频移相似，但横向细胞壁的线宽（与粘度相关）更高
过渡区：横向细胞壁的频移和线宽均高于纵向细胞壁
伸长区：横向细胞壁的频移相比纵向细胞壁有所增加
纵向细胞壁的频移下降更为显著——这与细胞沿纵向轴伸长的方向一致。细胞壁的力学特性以紧密调控的方式在分化过程中发生变化，允许细胞沿纵向轴扩展。研究人员还在单个细胞壁中检测到了非均匀的频移和线宽值，表明细胞壁内部存在局部的力学异质性，可能反映了新细胞壁材料正在合成或沉积的位置。
四、胁迫响应的力学适应
该研究还发现，植物细胞壁的力学特性可在数小时内响应环境胁迫（如高渗透压胁迫）或细胞壁代谢的改变而发生细胞类型特异性的适应。高渗透压胁迫导致的细胞壁刚度降低，需要完整的脱落酸代谢和细胞壁完整性信号传导通路。
五、UPSC的广泛应用方向
在UPSC，Discoverer被用于多个研究方向：
量化细胞壁刚度在生长和发育过程中的变化
监测植物对环境胁迫（盐度、干旱、温度波动）的力学响应
研究基因修饰如何影响作物和树木的组织力学
探索细胞粘附、侧根形成或病原体相互作用过程中的力学信号传导
特征与好处
特征 好处
全光学非接触测量，无需物理接触、无需标记或样品制备 可在活体植物原生状态下进行长期追踪，不损伤样本
三维体积力学成像 获取组织内部不同深度的力学信息，而非仅表面数据
单细胞分辨率 可追踪单个细胞在分化过程中的力学演变
780 nm近红外激光，低光毒性 适合对活体植物进行长时间观测
与共聚焦显微镜无缝集成 力学信息与荧光标记的结构信息同步获取
全自动化运行 无需深厚光学背景即可操作
自由光谱范围≥15 GHz 可检测力学特性的细微变化
| 技术特性 | 关键参数与说明 |
|---|---|
| 激发波长 | 780 nm 近红外激光，低光毒性 |
| 光谱分辨率 | < 1 pm |
| 自由光谱范围 | ≥ 15 GHz（布里渊频移最高7.5 GHz） |
| 成像方式 | 全光学非接触式，无需标记、无需样品制备 |
| 空间分辨率 | 单细胞级别 |
| 成像维度 | 可获取三维空间力学数据（点→二维区域→三维体积） |
| 显微镜兼容 | 已集成至Zeiss LSM 780共聚焦，适配四大主流品牌 |
| 自动化程度 | 从对准校准到数据采集分析全自动运行 |
| 整合时间 | 毫秒级，适合活体样本 |
| 应用场景 | 生长发育追踪、胁迫响应监测、基因修饰表型分析、力学信号传导 |
