Fraunhofe在植物斷層掃描CT發(fā)表種子表型研究論文的應(yīng)用

世界先進(jìn)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究院Fraunhofer研究院的EZRT研究所科研人員以及來(lái)自澳大利亞的科學(xué)家，最近發(fā)表了題為Drought and heat stress tolerance screening in wheat using computed tomography的論文，研究使用計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)對(duì)麥穗進(jìn)行了斷層掃描研究，可對(duì)種子結(jié)構(gòu)例如種子變形等進(jìn)行預(yù)測(cè)和測(cè)量，文章發(fā)表在Plant Methods上。

Fraunhofer植物計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)采用微焦點(diǎn)X射線成像原理進(jìn)行分辨率三維成像，可以在不破壞樣品（無(wú)需染色、無(wú)需切片）的情況下，獲得高精度三維圖像，顯示樣品內(nèi)部詳盡的三維信息，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)、密度的定量分析，適用于觀察植物化石樣品結(jié)構(gòu)和植物活體組織的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)學(xué)、組織學(xué)、生物學(xué)特別是古生物學(xué)等研究領(lǐng)域，例如花、果實(shí)、種子、根系等研究。

Fraunhofer研究院是世界先進(jìn)的應(yīng)用技術(shù)研究院，很多工業(yè)技術(shù)都源自于該研究所。Fraunhofer專門成立的植物表型CT研究組致力于CT技術(shù)應(yīng)用在植物的表型研究上。與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)CT不同，植物CT研究需要獨(dú)特算法和軟件等，F(xiàn)raunhofer研究院在該研究領(lǐng)域位于世界前沿。

近年來(lái)，F(xiàn)raunhofer團(tuán)隊(duì)一直致力于將計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)應(yīng)用于植物表型研究領(lǐng)域，特別是專注于植物結(jié)構(gòu)高分辨率無(wú)損檢測(cè)。其中一個(gè)研究方向?yàn)檠芯客庠诿{迫因素對(duì)植物微觀結(jié)構(gòu)的影響，研究方向有木質(zhì)部結(jié)構(gòu)如何對(duì)脅迫，如干旱做出反應(yīng)。在干旱環(huán)境下，一些植物不再為葉片或整個(gè)枝條提供水分。研究另外一個(gè)方向是不同植物基因品系的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特征。

Fraunhofer開發(fā)出了便攜式、臺(tái)式、落地式以及高通量等多個(gè)系列專門針對(duì)植物表型研究開發(fā)的計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)。

Drought and heat stress tolerance screening in wheat using computed tomography

Jessica Schmidt1, Joelle Claussen2*,Norbert Wörlein2, Anja Eggert2, Delphine Fleury1,3, Trevor Garnett1and Stefan Gerth2

Abstract

Background:

Improving abiotic stress tolerance in wheat requires large scale screening of yield components  such as seed weight, seed number and single seed weight, all of which is very laborious, and a detailed analysis of seed mor- phology  is time-consuming and visually often impossible. Computed tomography offers the opportunity for much
faster and more accurate assessment of yield components.

Results: An X-ray computed tomographic analysis was carried out on 203 very diverse wheat
 accessions ,which have been exposed to either drought or combined drought and heat stress. Results demonstrated that
 our computed tomography  pipeline was capable of evaluating grain set with an accuracy of 95–99%. Most accessions exposed 
to combined drought and heat stress developed smaller, shrivelled seeds with an increased seed surface. As expected, seed weight and seed number per ear as well as single seed size were significantly reduced under
 combined drought and heat compared to drought alone. Seed weight along the ear was significantly reduced at the top and bottom of the wheat spike.
 

Conclusions: We were able to establish a pipeline with a higher throughput  with scanning times of 7 min per ear

and accuracy than previous pipelines predicting  a set of agronomical important  seed traits and to visualize even more complex traits such as seed deformations. The pipeline presented here could be scaled up to use for 
high throughput,high resolution phenotyping of tens of thousands of heads, greatly accelerating breeding 
efforts to improve abiotic stress tolerance.

Keywords:  X-ray, High-throughput, Phenotyping, Yield, Seed morphology, Genetic diversity