生物学院林金星教授团队在光学显微成像和量化分析方面发表综述论文

近日，我院林金星教授团队在国际学术期刊《New Phytologist》发表题为“Multi-scale microscopy to decipher plant cell structure and dynamics”的Tansley综述文章。

生物成像作为破译植物细胞结构和动力学最直观生动的表征和分析方法，一直是推动生物学研究进步的重要技术之一，但在植物科学的研究中，从宏观、介观及微观尺度综合解析植物组分结构及生命活动网络的报道较为缺乏。因此，本研究从多尺度系统对显微镜技术与数据量化分析方法进行了综述，旨在为研究者今后在解析植物细胞生命活动现象时，选择最佳的成像技术提供参考。

论文首先从微观尺度 (Microscale)、介观尺度 (Mesoscale) 及宏观尺度(Macroscale) 介绍了多种显微镜及其技术，其中包括纳米级显微镜的结构光照明显微成像 (Structure Illumination Microscopy，SIM)、全内反射荧光显微镜 (Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy，TIRFM)、膨胀显微镜 (Expansion Microscopy，ExM)，细胞/亚细胞水平显微镜的拉曼显微术 (Raman Microscopy，RM)、受激拉曼散射显微术 (Stimulated Raman Scattering Microscopy，SRS)、荧光相关光谱术 (Fluorescence Correlation Spectroscopy，FCS)、荧光共振能量转移-荧光寿命显微成像 (Forster Resonance Energy Transfer-Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy，FRET-FLIM)，以及组织或者器官水平的光场显微术 (Light field microscopy，LFM)、光片显微术 (Light sheet microscopy，LSM) 等。其次，论文重点介绍了各种显微镜的成像原理及开发应用过程，系统梳理了不同尺度显微镜的适用对象及局限性。最后，论文重点介绍了测定膜蛋白结构和动力学特征的主要参数：(1) 通过单颗粒追踪量化蛋白的动力学，包括蛋白的扩散、蛋白的停留时间 (Dwell time)、亚单元的计量指数 (Subunit stoichiometry)；(2) 通过软件包和深度学习量化分析细胞器相互作用和转运，包括内质网的转运及其与其他细胞器的相互作用、细胞骨架的量化、蛋白的胞吞胞吐的速率 (Rates of endocytosis & exocytosis)；(3) 通过软件包分析蛋白的共定位及相互作用的参数，包括蛋白接近指数 (Protein Proximity Index，PPI)、皮尔森系数 (Pearson correlation coefficient)、波动曲线参数 (Kymograph) 等；(4) 通过植物网络量化手段解析跨尺度组分间结构特征及其偶联关系，复杂器官细胞相互作用网络研究手段拓扑分析，例如度 (Degree)：节点临近细胞数量；介数 (Betweenness Centrality, BC)：一个细胞参与全范围内不同两个细胞间最短路径程度，反应节点作为桥梁的重要程度；边权重 (Edge weighting)：细胞交互面积；连通性 (Connectivity)：指一个网络内一个节点直接连接其它节点的数量；随机行走中心 (Random Walk Centrality, RWC)：两节点间最短路径上的细胞；导航中心 (Navigation Centrality, NC)：通过遵循节点梯度网络定义最短路径、组织器官的结构量化、高通量单细胞多组学与结构的关联性定量分析。这些量化参数对于细胞生物学从定性描述走向定量分析有重要指导意义。

我院青年教师崔亚宁博士为论文第一作者，林金星教授为论文通讯作者。我院张曦博士和李晓娟教授为该论文共同作者。该论文得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金和ManBetX中国官网校内杰青等项目的资助。

作者：崔亚宁

执行编辑：张亚坤

审核：杜庆章