[논문 리뷰] Quantification of Pollen Viability in Lantana camara By Digital Holographic Microscopy

Vipin Kumar, Nishant Goyal외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 10.

Digital Holography and Microscopy인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 디지털 홀로그램 현미경(DHM)을 사용하여 *Lantana camara*의 꽃가루 생존도를 염색 없이 정량적으로 측정하는 새로운 방법을 제안한다. 이 방법은 세포의 염색체 농도와 세포의 균형을 평가하기 위해 정량적 위상 영상을 캡처한다. 이 기술은 비침습적이고 고해상도로 생존 및 비생존 꽃가루를 분류할 수 있으며, 식물 생식생물학과 침입 생물학 분야에서 확장 가능하고 통계적으로 신뢰할 수 있는 접근법을 제공한다.

ABSTRACT

Pollen grains represent the male gametes of seed plants and their viability is critical for efficient sexual reproduction in the plant life cycle. Pollen analysis is used in diverse research thematics to address a range of botanical, ecological and geological questions. More recently it has been recognized that pollen may also be a vector for transgene escape from genetically modified crops, and the importance of pollen viability in invasion biology has also been emphasized. In this work, we analyse and report an efficient visual method for assessing the viability of pollen using digital holographic microscopy (DHM). We test this method on pollen grains of the invasive Lantana camara, a well known plant invader known to most of the tropical world. We image pollen grains and show that the quantitative phase information provided by the DHM technique can be readily related to the chromatin content of the individual cells and thereby to pollen viability. Our results offer a new technique for pollen viability assessment that does not require staining, and can be applied to a number of emerging areas in plant science.

연구 동기 및 목표

• 침입 식물 종에서 꽃가루 생존도를 평가하기 위한 염색이 없는 정량적 방법을 개발하는 것.
• 디지털 홀로그램 현미경(DHM)을 사용하여 수분 상태의 꽃가루 입자를 레이블 없이 고해상도로 촬영할 수 있는지 탐색하는 것.
• 정량적 위상 대비와 염색체 농도 및 세포의 균형 간의 상관관계를 분석하여 생존도를 추론하는 것.
• 전통적인 염색 절차 없이 DHM을 사용하여 생존 및 비생존 꽃가루를 분류할 잠재력을 평가하는 것.
• 향후 C-값 정량 분석을 통한 침입 생물학 및 배수 수준 추정에 이 기술을 적용해 볼 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 단일 촬영, 전체 해상도 디지털 홀로그램 현미경(DHM) 시스템을 사용하여 밝기-장면 및 정량적 위상 영상 모드를 동시에 운영하였다.
• 희박 최적화 기반 위상 복원 알고리즘을 사용하여 홀로그램에서 고정밀 정량적 위상 지도를 복원하였다.
• 생리학적 관련성을 확보하기 위해 수분 상태에서 500개 이상의 개별 *Lantana camara* 꽃가루 입자를 촬영하였다.
• 표본 재배치나 교란 없이 동일한 꽃가루 입자에서 밝기-장면 및 정량적 위상 영상을 모두 확보하였다.
• 각 꽃가루 입자에서 30개의 정량적 위상 매개변수를 추출하였으며, 평균 위상 값은 주요 생존도 지표로 사용되었다.
• 위상 지도의 형태와 알려진 생존도 지표 간의 상관관계를 분석하였으며, 세포질 물질의 유무를 생존도의 대체 지표로 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DHM를 통한 정량적 위상 영상은 염색 없이도 생존 및 비생존 *Lantana camara* 꽃가루를 신뢰성 있게 구분할 수 있는가?
• RQ2 꽃가루의 정량적 위상 지도는 염색체 농도 및 세포의 균형과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 꽃가루 생식 연구에서 전통적인 염색 기반 생존도 측정법을 DHM가 어느 정도 대체할 수 있는가?
• RQ4 염색되지 않은 꽃가루 입자의 위상 대비를 사용하여 생존도를 통계적으로 신뢰할 수 있게 분류할 수 있는가?
• RQ5 DHM는 꽃가루에서 C-값 정량 분석을 통해 배수 수준을 추정하는 데 어떤 잠재력을 지니는가?

주요 결과

• DHM 시스템은 표본 조작 없이 *Lantana camara* 꽃가루의 밝기-장면 및 정량적 위상 모드에서 전체 회절 한계 해상도 영상을 성공적으로 캡처하였다.
• 정량적 위상 지도는 세포질 물질의 유무에 따라 생존 및 비생존 꽃가루를 명확히 구분하였으며, 생존 꽃가루는 더 높은 위상 대비를 보였다.
• 500개 이상의 꽃가루 입자에서 추출한 평균 위상 값은 염색 없이도 통계적으로 신뢰할 수 있는 생존도 지표로 기능하였다.
• 이 방법은 염색되지 않은 수분 상태의 꽃가루에서 자연적인 굴절률 대비를 통해 신뢰성 있는 생존도 분류가 가능하다는 것을 입증하였다.
• 초기 데이터는 정량적 위상 매개변수 분석을 통해 고도화된 분석을 통해 C-값 농도 및 배수 수준을 추정하는 데 DHM를 확장할 수 있다는 가능성을 시사한다.
• 이 기술은 최소한의 표본 처리로 고속, 비침습적 영상 촬영이 가능하며, 염색 기반 방법에 비해 확장 가능한 대안을 제공한다.