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Optimization of experimental conditions for supravital staining and observation of plant vacuole system

  • Qiao Jiaxin 1 ,
  • Zhang Ningzhi 1 ,
  • Xu Xin 1 ,
  • Wang Wenyan 2
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  • 1. College of Life Sciences, South-Central Minzu University, Wuhan 430074, China
  • 2. Experimental Teaching Center, South-Central Minzu University, Wuhan 430074, China

Received date: 2025-05-22

  Online published: 2026-05-08

Abstract

To optimize the supravital staining of plant vacuome with neutral red, this study used root tips of wheat, rice and mung bean as materials and 1/3000 neutral red as the staining agent, and carried out conditional optimization experiments on material selection, preparation and preservation of staining solution, and staining duration. Results showed that wheat seeds required simple culture conditions and had a short growth period; the vacuoles in the root apical meristem of wheat were stained uniformly with high specificity, and the observation effect was better than those of rice and mung bean. Comparisons of different staining durations indicated that insufficient staining occurred at 10 min, while over-staining or altered cell morphology tended to appear at 20 min and above. Staining for 15 min yielded appropriate color development and intact vacuole structure, which was determined as the optimal duration. Under the optimized conditions of wheat as material, freshly prepared neutral red solution, and 15 min staining, distinct developmental morphological differences were clearly observed among the primary small vacuoles in the apical meristem, small vacuoles in the elongation zone, and the central large vacuole in the maturation zone. The optimized protocol for supravital staining of the plant vacuome established in this study was simple to operate and stable in observation effect, and provided a reference for relevant supravital staining experiments.

Cite this article

Qiao Jiaxin , Zhang Ningzhi , Xu Xin , Wang Wenyan . Optimization of experimental conditions for supravital staining and observation of plant vacuole system[J]. Anhui Agricultural Science Bulletin, 2026 , 32(9) : 114 -116 . DOI: 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2026.09.028

液泡是由单层膜包裹细胞液构成的细胞器,也是植物细胞内体积最大的细胞器。细胞发育过程中,多个小型液泡可逐步融合形成中央大液泡,其体积占细胞总体积的90%以上[1]。活体染色是对活体细胞或组织进行特异性着色,且对受试样品毒性极低或无毒性的染色方法,可显示活细胞内特定结构,同时不干扰细胞正常生命活动,避免引发细胞死亡[2]。该技术常用于观察活细胞的形态结构及其生理、病理状态,通常分为体内活体染色与体外活体染色两类。体外活体染色也称超活染色,指将离体的活细胞或组织小块置于染料溶液中浸染,使染料选择性结合于细胞特定结构并显色。中性红(3-氨基-7-二甲基氨基-2-甲基吩嗪)为亲脂性游离碱,可透过活细胞膜,并在动物溶酶体、植物液泡及真菌细胞中富集[3]。在植物细胞内,中性红经质子化作用滞留于液泡中,对液泡系染色具有高度专一性,常作为植物组织的趋酸性染色剂使用,可特异性将活细胞液泡系染为红色,而对细胞核与细胞质不显色[4-5]。中性红染色效果易受多种因素影响,液泡数量与分布的观察清晰度有待提升。为优化植物液泡系超活染色效果,本研究从实验材料筛选、染液配制与保存、染色时间等方面对实验条件进行优化,以期确立适用于植物液泡系超活染色的最佳实验条件。

1 材料与方法

1.1 试验材料

小麦、水稻、绿豆、林格氏(Ringer)溶液、1/3000 中性红溶液。

1.2 试验方法

1.2.1 培养与预处理

小麦:将小麦种子置于瓷盆内,以棉布完全覆盖,加入少量清水浸润棉布,室温培养4~5 d,每日换水;培养完成后切取1~2 cm根尖备用[6]。水稻:取烘干水稻种子置于培养皿中,清水浸没种子并覆盖两层滤纸,30 ℃条件下培养5~6 d,每日换水;培养完成后切取1~2 cm根尖用于试验。绿豆:将剪去下端的八连管置于管架中,加水浸没后,每管放入单粒绿豆种子,30 ℃条件下培养4~5 d,每日换水;培养完成后切取1~2 cm 根尖用于试验[7]

1.2.2 不同试验材料超活染色与观察

分别取小麦、水稻、绿豆1~2 cm 根尖置于载玻片上,各滴加1~2 滴新鲜配制的1/3000中性红染液浸染15 min;吸去染液后滴加1滴Ringer溶液,盖上盖玻片轻压使细胞分散,于光学显微镜40倍物镜下镜检,对比观察不同材料根尖分生区细胞液泡染色效果。

1.2.3 不同染色时间超活染色与观察

取小麦1~2 cm 根尖置于载玻片上,滴加1~2 滴新鲜配制的1/3000中性红染液,分别进行10、15、20、25 min超活染色;染色结束后吸去染液,滴加1滴Ringer溶液,盖上盖玻片轻压使细胞分散,于光学显微镜40倍物镜下镜检,对比不同染色时间下小麦根尖分生区细胞液泡形态与着色效果。

1.2.4 最优条件下液泡发育过程观察

以小麦为试验材料,采用新鲜配制的1/3000中性红溶液染色15 min;吸去染液后滴加1滴Ringer溶液,盖上盖玻片轻压使细胞分散,于光学显微镜40倍物镜下镜检,分别观察根尖分生区、伸长区、成熟区细胞液泡形态与分布特征。

2 结果与分析

2.1 不同试验材料染色效果对比

小麦根尖分生区细胞内可见多个大小不均的浅玫红色初生小液泡(图1A);水稻分生区细胞内分布着大小不等的深红色初生小液泡(图1B);绿豆分生区细胞质中分散着大小不一的玫红色初生小液泡(图1C)。对比可知,小麦根尖液泡着色清晰,在视野中易于分辨;水稻根尖染色偏深,对不同生长区域的区分存在一定干扰;绿豆根尖液泡染色较浅,初生小液泡边界辨识度有限。此外,水稻与绿豆的发芽需在30 ℃恒温条件下培养,培养条件相对严格;而小麦种子易获取、培养方式简便、周期较短,且液泡染色效果稳定,分生区初生小液泡形态与分布清晰,更适合作为试验的优选材料。综上,小麦种子为植物液泡系超活染色试验的最优材料选择。
图1 不同试验材料根尖细胞分生区液泡超活染色结果对比(40×10)

(A)~(C)分别为小麦、水稻、绿豆。

2.2 不同染色时间的染色效果对比

染色10 min:分生区细胞可见少量浅紫色初生小液泡,着色较浅,观察辨识度有限(图2A)。染色15 min:分生区细胞内分布着大小不均的玫红色初生小液泡,形态清晰、数量易辨(图2B)。染色20 min:液泡呈深玫红色,着色过深导致小液泡边界模糊,形态辨识度下降(图2C)。染色25 min 及以上:液泡呈深紫红色,且因染液毒性累积,细胞形态出现一定变化,影响观察效果(图2D)。综合对比可知,染色15 min为最优染色时长,此时小麦根尖细胞着色均匀、液泡形态完整,分生区初生小液泡的数量与结构可清晰分辨。
图2 不同染色时长下小麦根尖细胞超活染色的结果(40×10)

(A)~(D)分别为染色10、15、20和25 min。

2.3 最佳试验条件组合

根尖分生区细胞内分布着多个大小不均的浅玫红色初生小液泡(图3A);伸长区细胞可见2个浅玫红色小液泡(图3B);成熟区细胞形成1个浅玫红色中央大液泡,将细胞核挤压至细胞边缘(图3C)。该条件下液泡着色均匀,不同发育阶段的液泡形态与分布特征清晰可辨,可直观展示植物根尖液泡的发育过程。
图3 小麦根尖细胞超活染色的试验条件优化

(A)~(C)分别为小麦根尖分生区、伸长区和成熟区。

3 结论与讨论

在小麦根尖染色试验中,现配中性红母液稀释得到的1/3000中性红溶液染色效果最优,溶液呈清澈紫红色。材料选择方面,本研究对比了小麦、水稻和绿豆3种材料,结果显示,小麦液泡系可被特异性染为红色,细胞质与细胞核不着色,便于清晰区分细胞活性状态,适合作为该试验材料。染色时间优化结果表明,现有文献多采用5~10 min染色时长[8],本研究通过对比染色10、15、20及25 min的染色效果,发现15 min为最优时长,该条件下液泡形态清晰,同时可避免染液对细胞活性的影响。此外,植物液泡系的观察可拓展至荧光显微镜与电镜技术。荧光显微镜下,经中性红染色的液泡系可呈现明显的红色荧光,细胞核与细胞质无特异性荧光信号,能更精准地区分液泡与其他细胞结构;电镜技术则可清晰观察到液泡的细微结构,例如甜菊幼叶细胞内存在的小而多、半透亮的圆形或椭圆形液泡[9],可进一步探究液泡的发育机制与功能特性。未来试验可结合多种观察技术,深入开展植物液泡系的动态变化研究,为植物细胞生物学研究提供丰富的试验数据与技术支撑。
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Outlines

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