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The study of cuticular and epidermal features in fossil plant impressions using silicone replicas for scanning electron microscopy

Philippe Moisan

Plain Language Abstract

The leaf cuticle and epidermis are like a plant fingerprint, since most plant taxa show a distinctive and unique set of diagnostic characters. Consequently they play an important role in the study of fossil plants providing a sound basis for plant identification and classification. Furthermore, cuticles show features which are important for ecological and climatic interpretations. Cuticles in fossil plant compressions can be isolated from the rock matrix by using appropriate chemicals or transfer methods. But these procedures are not applicable to fossil plant impressions, which lack organic matter. However, epidermal and cuticular features in fossil impressions can be made visible using silicone replicas under SEM examination. In this paper a redefined version of this technique is presented, showing that the use of silicone provides excellent SEM images. The results demonstrate the advantages of using silicone replicas over latex for detailed studies of fossil plants, and that the technique could be applied in the same way to other palaeontological specimens in order to reveal minute surface details that cannot be adequately distinguished and photographed with stereo or light microscopes.

Resumen en Español

Estudio de las características cuticulares y epidérmicas en impresiones de plantas fósiles mediante el uso de réplicas de silicona para microscopía electrónica de barrido

El análisis de los caracteres epidérmicos y cuticulares es crucial en los estudios paleobotánicos. En las impresiones de plantas fósiles no se conserva material orgánico y normalmente se considera, por tanto, que no existen datos sobre los caracteres cuticulares. En este trabajo se describe una nueva versión de la técnica de réplicas de silicona para análisis mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) conocida desde hace más de 40 años, pero lamentablemente poco utilizada en estudios paleobtotánicos rutinarios. El uso de silicona (polivinilsiloxano) en lugar de moldes de látex ofrece ventajas significativas tales como una manipulación más fácil, una mejor reproducción de los detalles de la superficie y la eliminación de acumulación de carga electroestática. Los resultados indican que el uso de la silicona representa una mejora con respecto al látex. Con esta técnica se pueden alcanzar resultados excelentes, haciendo visibles algunas estructuras de la superficie de la planta como células epidérmicas, estomas, papilas, tricomas o estriaciones del raquis. Esta técnica muestra, además, que las impresiones fósiles pueden proporcionar datos tan útiles como los fósiles comprimidos. La efectividad de esta técnica queda demostrada con varios ejemplos de plantas fósiles del lagerstätte triásico de Madygen. La aplicación de esta técnica simple, no destructiva y muy efectiva, proporciona información significativa sobre los caracteres cuticulares y epidérmicos en las impresiones de plantas fósiles a pesar de la ausencia de cutículas, lo que permite resolver problemas taxonómicos, así como inferir diversas adaptaciones ecológicas.

Palabras clave: réplicas de silicona; impresiones de plantas fósiles; SEM; características epidérmicas y cuticulares; paleobotánica

Traducción: Miguel Company

Résumé en Français

Etude des caractères cuticulaires et épidermaux sur les impressions de plantes fossiles en utilisant des moulages de silicone pour la microscopie électronique à balyage

L'étude des caractères cuticulaires et épidermaux est cruciales pour les recherches paléobotaniques. Sur les impressions de plantes fossiles, le matériel organique n'est pas préservé et les données cuticulaires sont souvent reconnues comme étant absentes. Ce travail décrit une nouvelle version de la technique du moulage au silicone, connue depuis près de 40 ans mais peu uilisée en paléobotanique, pour l'examination au MEB. L'utilisation de moulage en silicone (vinylpolysiloxane) plutôt qu'en latex offre des avantages significatifs comme par exemple la manipulation plus simple, la reproduction plus fidèle des détails de la surface ainsi que l'élimination de l'accumulation de charges électrostatiques. Le résultat indique que le silicone représente une amélioration par rapport au latex. D'excellent résultats ont obtenus avec cette méthode en rendant visible plusieurs structures de surface des plantes, dont les cellules épidermiques, les stomates, les papilles, les trichomes et les striations du rachis. De plus, cette technique démontre que les impressions fossiles peuvent fournir des données aussi utiles que celles données par les fossiles comprimés. L'efficacité de cette technique est démontrée sur plusieurs spécimens de plantes fossiles du Lagerstätt Madysen du Trias. L'application de cette technique simple, non-destructive, et extrêment efficace permet d'obtenir des informations biologiques importantes sur les caractères cuticulaires et épidermaux préservés sur les impressions de plantes fossiles malgrés l'absence des cuticules. Elle permet également de résoudre des problèmes taxonomiques ainsi que de déduire diverses adaptations écologiques.

Mots-clefs: moulages en silicone, impressions de plantes fossiles, MEB, caractères cuticulaires et épidermaux, paléobotanique

Translator: Loïc Costeur

Deutsche Zusammenfassung


Erforschung von kutikulären und epidermalen Merkmalen bei fossilen Pflanzenabdrücken mit Silikonrepliken für die Rasterelektronenmikroskopie

Die Erforschung von kutikulären und epidermalen Merkmalen ist entscheidend bei paläobotanischen Untersuchungen. Bei fossilen Pflanzenabdrücken ist organisches Material nicht erhalten und kutikuläre Daten werden allgemein als fehlend angesehen: Diese Arbeit beschreibt eine neu definierte Version der Silikonrepliken-Technik für die rasterelektronenmikroskopische Untersuchung. Sie ist schon seit 40 Jahren bekannt wurde jedoch leider selten routinemäßig bei paläobotanischen Untersuchungen genutzt. Silikon (Vinylpolysiloxan) hat gegenüber Latexabgüssen wesentliche Vorteile wie einfachere Handhabung, eine höhere Reproduktion von Oberflächenstrukturen und Elimination von elektrostatischer Aufladung. Die Ergebnisse zeigen, dass Silikon eine Verbesserung gegenüber Latex darstellt. Mit dieser Technik können exzellente Ergebnisse erzielt werden. So können eventuell einige pflanzliche Oberflächenstrukturen sichtbar gemacht werden wie epidermale Zellen, Stomata, Papillen, Trichome und Streifen auf der Rachis. Zudem zeigt diese Technik auf, dass fossile Abdrücke ähnlich nützliche Informationen wie flache Fossilien liefern können. Die Effektivität dieser Technik wird anhand einiger Beispiele von fossilen Pflanzen aus der Madygen Lagerstätte aufgezeigt. Die Anwendung dieser einfachen, zerstörungsfreien und extrem effektiven Technik liefert signifikante biologische Informationen über kutikuläre und epidermale Merkmale bei fossilen Pflanzen - obwohl die Kutikeln fehlen – dass taxonomische Fragen genauso wie diverse ökologische Anpassungen erschlossen werden können.

SCHLÜSSELWÖRTER: Silikonrepliken; fossile Pflanzenabdrücke; REM; epidermale und kutikuläre Merkmale; Paläobotanik

Translators: Eva Gebauer

Arabic

309 arab

Translator: Ashraf M.T. Elewa

 

 

FIGURE 1. Flow chart showing the fundamental steps in the preparation of VPS replicas for SEM examination and the trapezium-shaped pieces of VPS mounted on geological microscope slides.

fig1

FIGURE 2. 1. VPS replica of the lycopsid Mesenteriophyllum kotschnevii showing isodiametric to transversely elongated epidermal cells. Scale bar equals 100 μm. 2. VPS replica of the bryophyte Muscites brickiae showing longitudinally elongated epidermal cells. Scale bar equals 50 μm. 3. Detail of elongated epidermal cells in the sphenopsid Equisetites obtained with VPS. Scale bar equals 50 μm. 4. Latex replica of the pteridosperm Ptilozamites showing a fissure on the surface. Scale bar equals 200 μm. 5. VPS replica of Ptilozamites showing longitudinal striations on the rachis. Scale bar equals 100 μm. 6–7. Details of stomata in Ptilozamites showing ring-like structure of the subsidiary cells. Scale bars equals 5 μm.

 fig2

FIGURE 3. 1. SEM image of latex replica of the herbaceous lycopsid Isoetites. Scale bar equals 250 μm. 2. SEM image of VPS replica of the same specimen at the same magnification as shown in Figure 2.1., showing excellent well-preserved epidermal cells. Scale bar equals 250 μm. 3. Detail of the Figure 2.1. Note that details of epidermal cells are indistinguishable, and air bubbles are present over the surface. Scale bar equals 50 μm. 4. Detail of the Figure 2.2. Scale bar equals 50 μm. 5. SEM image of latex replica of the bennettitalean Pterophyllum pinnatifidum. Deformation on the latex surface and air bubbles are present. Scale bar equals 100 μm. 6. SEM image of VPS replica of the same specimen at the same magnification as shown in Figure 2.5., showing intercostal field densely covered with papillae. Scale bar equals 100 μm. 7. Detail of Figure 2.5. Scale bar equals 25 μm. 8. Detail of Figure 2.6., showing a papillate surface. Scale bar equals 25 μm.

 fig3

FIGURE 4. Sporophylls of Lepacyclotes zeilleri after being treated with latex (left) and after silicone (right) for SEM examination. Scale bar equals 1 cm.

fig4

 

This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
authorForschungsstelle für Paläobotanik am Institut für Geologie und Paläontologie
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Hindenburgplatz 57
48143 Münster
Germany

Philippe is a palaeobotanist who studied biology at the University of Concepción (Chile). He is currently finishing his PhD thesis at the University of Münster (Germany), as a member of the palaeobotany research group. His current research interest focuses mainly on early Mesozoic floras from Central Asia which include plant taxonomy of mosses, lycopsids, ferns and gymnosperms as well as the ecology of fossil plants and plant-insect interactions. Additionally, Philippe is also interested in Devonian and Late Triassic fossil plants from Chile.

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