[论文解读] Quantification of Pollen Viability in Lantana camara By Digital Holographic Microscopy

Vipin Kumar, Nishant Goyal+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2022

Digital Holography and Microscopy被引用 14

一句话总结

本研究提出了一种新颖的无染色方法，利用数字全息显微镜（DHM）对 *Lantana camara* 的花粉活力进行定量分析，通过捕获定量相位图像来评估染色质含量和细胞完整性。该技术可实现高分辨率、非侵入性的活/死花粉分类，无需染色，为植物生殖生物学和入侵生物学研究提供了一种可扩展、统计稳健的方法。

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.

研究动机与目标

• 开发一种无需染色的定量方法，用于评估入侵植物物种的花粉活力。
• 研究利用数字全息显微镜（DHM）对处于水合状态的花粉颗粒进行无标记、高分辨率成像的可行性。
• 将定量相位对比与染色质含量及细胞完整性相关联，以推断花粉活力。
• 评估DHM在无需传统染色程序的情况下对活/死花粉进行分类的潜力。
• 探索该技术在未来入侵生物学中的应用潜力，以及通过C值定量实现倍性水平估计的可能性。

提出的方法

• 采用单次曝光、全分辨率的数字全息显微镜（DHM）系统，具备明场和定量相位成像双模式运行。
• 使用基于稀疏优化的相位恢复算法，从全息图中重建出高保真度的定量相位图。
• 在水合条件下对超过500粒 *Lantana camara* 花粉颗粒进行成像，以确保其生理相关性。
• 在不重新定位或扰动样本的情况下，获取同一花粉颗粒的明场图像与定量相位图像。
• 从每个花粉颗粒中提取30个定量相位参数，以平均相位值作为主要活力指标。
• 将相位图形态与已知的活力标志物相关联，以细胞质物质的存在或缺失作为活力的代理指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过DHM进行的定量相位成像能否可靠地区分无染色的 *Lantana camara* 活/死花粉？
• RQ2 花粉的定量相位图如何与染色质含量及细胞完整性相关联？
• RQ3 在植物生殖研究中，DHM在多大程度上可以替代传统的染色基活力检测方法？
• RQ4 能否利用无染色花粉颗粒的相位对比度，以统计置信度对活力进行分类？
• RQ5 DHM在通过C值定量估算倍性水平方面具有多大潜力？

主要发现

• DHM系统成功捕获了 *Lantana camara* 花粉在明场和定量相位模式下的全衍射极限分辨率图像，且无需样本操作。
• 定量相位图能基于细胞质物质的存在或缺失，清晰地区分活/死花粉，其中活花粉表现出更高的相位对比度。
• 从超过500粒花粉颗粒中提取的平均相位值，提供了一种统计稳健的无染色活力指示。
• 该方法表明，无染色、水合花粉中天然的折射率对比可实现可靠的活力分类。
• 初步数据显示，通过高级相位参数分析，DHM可进一步扩展用于C值含量及倍性水平的估算。
• 该技术可实现高通量、非侵入性成像，且样本处理极少，为染色基方法提供了一种可扩展的替代方案。