Micro-CT在植物學(xué)研究中的應(yīng)用案例分享

植物與人類(lèi)的生活息息相關(guān)，人類(lèi)對(duì)植物也十分關(guān)注，由此發(fā)展出植物學(xué)學(xué)科。植物學(xué)主要研究植物的形態(tài)、分類(lèi)、生理、生態(tài)、分布、發(fā)生、遺傳、進(jìn)化等，其中對(duì)植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)研究是大部分研究的前提。除了傳統(tǒng)的破壞性的顯微鏡切片觀察等方法，顯微 CT 可以重建獲得植物組織的斷面或立體圖像，發(fā)現(xiàn)其中的細(xì)小組織結(jié)構(gòu)變化，從而無(wú)損探索植物各組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足。本文將帶大家走進(jìn)幾個(gè)顯微 CT 應(yīng)用于植物學(xué)研究的實(shí)例。

 

對(duì)于被子植物木質(zhì)部組織的成像有諸多方法。二維顯微鏡技術(shù)常常被用來(lái)進(jìn)行木材結(jié)構(gòu)的二維顯示和研究。當(dāng)我們需要獲得更適應(yīng)于人眼的三維表示時(shí)，則需要通過(guò)連續(xù)切片來(lái)完成。該方法耗時(shí)耗力，且具有破壞性。顯微 CT 的出現(xiàn)解決了這個(gè)問(wèn)題，它提供了一種無(wú)破壞性的多維檢查工具，使研究人員能夠定性和定量地檢查不透明組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此外，通過(guò)對(duì)顯微 CT 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可通過(guò)任何角度快速、徹底地檢查樣本。下圖是通過(guò)顯微 CT 數(shù)據(jù)重建出的白蠟樹(shù)早期疊置導(dǎo)管的三維形態(tài)。

 

圖 1 白蠟樹(shù)早期疊置導(dǎo)管的三維形態(tài)。A：透明血管元件 (VEW) 顯示其簡(jiǎn)單的穿孔板和侵填體 (Ty)。數(shù)據(jù)集分辨率：3.12 μm， 比例尺：100 μm；B：血管元素的切線視圖。血管元素之間的血管間凹坑 (VPIT) 是可見(jiàn)的。數(shù)據(jù)集分辨率：0.87 μm， 比例尺：50 μm；C：耳夾木血管之間的血管間點(diǎn)蝕系統(tǒng)的徑向視圖。數(shù)據(jù)集分辨率：0.87 μm，比例尺：25 μm。

 

通過(guò)顯微 CT 重建出木材結(jié)構(gòu)三維形態(tài)，使我們能夠直觀、定性地對(duì)其進(jìn)行分析，這些或許能夠滿足外行人的需要，但對(duì)于需要進(jìn)行深入仔細(xì)研究的植物學(xué)家來(lái)說(shuō)，還需要能夠?qū)σ恍﹨��?shù)進(jìn)行定量研究。顯微 CT 同樣能夠滿足這一要求。

 

顯微 CT 還使我們能夠分析層析圖像，并快速地對(duì)細(xì)胞特征進(jìn)行廣泛的數(shù)值分析，包括它們的長(zhǎng)度、直徑和體積。研究表明，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量有助于評(píng)估和研究木質(zhì)部的生物力學(xué)和水力功能。以上參數(shù)中，長(zhǎng)度和直徑有時(shí)能夠在二維平面進(jìn)行測(cè)量，有時(shí)則涉及多層平面，體積的測(cè)量更是完全離不開(kāi)三維圖像，由此可見(jiàn)應(yīng)用顯微 CT 的重要性。

 

海草草甸是當(dāng)今海洋中最受威脅的棲息地之一，而海草種子對(duì)海草草甸的恢復(fù)至關(guān)重要。因此，充分了解海草種子在水環(huán)境中的表現(xiàn)成為了植物學(xué)家的重要課題。

 

植物學(xué)家們?cè)谟^察海草種子的傳播時(shí)發(fā)現(xiàn)了一件神奇的事情：波浪、潮汐、洋流等給海草種子分散帶來(lái)了巨大的推動(dòng)力，但是海草種子通常不會(huì)分散到遠(yuǎn)離它們親本植物的地方。他們對(duì)此作出了一個(gè)猜想：海草種子的膜狀翼可以減少著陸到海床上的種子的水動(dòng)力，從而穩(wěn)定它們的方向和位置，直到種子生長(zhǎng)出根并牢牢地固定住。但是種子膜狀翼的生態(tài)驅(qū)動(dòng)因素和進(jìn)化壓力和它的傳播距離并沒(méi)有顯著聯(lián)系，該怎么去驗(yàn)證這個(gè)猜想呢？顯微 CT 作出了重要貢獻(xiàn)。

 

研究者用顯微 CT 對(duì)三種海草種子進(jìn)行了掃描，從而精確地確定了膜狀翼的組成、大小、表面積和形狀，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型，配合以相關(guān)實(shí)驗(yàn)，得出了結(jié)論：覆蓋種子的膜狀翼可以對(duì)種子受到的水動(dòng)力產(chǎn)生影響。所有物種的種子都有在水平面上旋轉(zhuǎn)到海床上穩(wěn)定位置的趨勢(shì)。當(dāng)種子指向水流或膜翼指向水流時(shí)，穩(wěn)定性最高。在強(qiáng)烈湍流的情況下，種子與海床保持接觸：機(jī)翼越大，種子越穩(wěn)定。當(dāng)所有種子都面對(duì)水流時(shí)，阻力和升力系數(shù)很小，并且在所有情況下都收斂到相似的值。然而，隨著種子旋轉(zhuǎn)離開(kāi)這個(gè)穩(wěn)定位置，阻力系數(shù)迅速增加，使得種子很難遠(yuǎn)離穩(wěn)定位置。

 

圖 2  (A) 顯微 CT 掃描的三個(gè)物種的海草種子；(B) 在其中一種海草種子的最寬點(diǎn)處測(cè)量的機(jī)翼寬度的差異；(C) 表面積；(D) 體積；(E) 表面積與體積比。

 

耐干燥（DT）植物是一種神奇的植物，它們可以在經(jīng)歷干旱之后通過(guò)再水化恢復(fù)功能，因此它們又被人們稱(chēng)為可以復(fù)活的植物。那么它們是怎么在不造成結(jié)構(gòu)損傷的情況下使內(nèi)部的復(fù)雜組織完成干燥和再水化的過(guò)程的呢？這引起了人們極大的好奇。

 

顯微 CT 出現(xiàn)以前，人們有兩種主流方法：一種是從外部推斷內(nèi)部過(guò)程，這常常不能進(jìn)行徹底研究，無(wú)法窺其全貌；另一種是切斷植物來(lái)進(jìn)行解剖學(xué)觀察，這種侵入性和破壞性的技術(shù)很有可能會(huì)引入人工制品，帶來(lái)一些錯(cuò)誤的觀察結(jié)果。顯微 CT 的出現(xiàn)解決了上述問(wèn)題，它可以清晰地觀察到動(dòng)態(tài)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且不帶來(lái)任何破壞，為研究者的后續(xù)分析提供了重要的基礎(chǔ)。下圖是耐干植物干燥和復(fù)活期間顯微 CT 橫截面圖像。

 

圖 3  耐干植物干燥和復(fù)活期間顯微 CT 橫截面圖像。 在干燥之前，成熟、水合的葉柄顯示出圍繞完全水合的血管圓柱體的干燥皮質(zhì)組織 (a)；在干燥早期，木質(zhì)部導(dǎo)管變得充滿氣體（b）；隨后，血管圓柱體（韌皮部和綠藻）中的活組織被壓縮（c）；完全干燥的葉柄顯示出充滿氣體的木質(zhì)部和收縮的血管圓柱體，在血管圓柱體和皮質(zhì)之間留下間隙 (d, e)；在復(fù)活的早期，韌皮部和綠組織擴(kuò)張（f）；后來(lái)，木質(zhì)部導(dǎo)管重新填充（g）；完全復(fù)活的葉柄類(lèi)似于成熟的、從未干燥的葉柄 (h)。

 

準(zhǔn)確的花期分期可以幫助研究花粉和花發(fā)育，尤其是雄性發(fā)育。研究環(huán)境變化下的雄性發(fā)育對(duì)于幫助提高產(chǎn)量很重要。由于花在假莖內(nèi)部發(fā)育，所以花卉分期研究通常依賴(lài)于破壞性分析，例如從植物中取出、固定、染色和切片。這種耗時(shí)的分析會(huì)阻止后續(xù)研究和使分析超過(guò)花卉準(zhǔn)確的分期點(diǎn)。這個(gè)問(wèn)題該如何解決呢？你不妨可以推測(cè)一下。沒(méi)錯(cuò)，我們的顯微 CT 隆重登場(chǎng)了。它可以通過(guò)掃描全面而準(zhǔn)確地獲得擬南芥花朵的內(nèi)部三維信息，且是毫無(wú)破壞的。下圖中準(zhǔn)確地顯示了擬南芥準(zhǔn)確分期下的不同形態(tài)。

 

圖 4  擬南芥不同發(fā)育階段單芽的顯微 CT 的橫截面圖像。a-f 顯示個(gè)體器官、花粉和胚珠，其中 a,f 為花期 11，b 為花期 10，c,d 為花期 9，e 為花期 13。i 為花期 11 的芽，g,h 為花期 11 的孤立花藥的三維圖像。在每幅圖像中，a 為花藥，c 為心皮，pe 為花瓣，s 為萼片，o 為胚珠，p 為花粉。比例尺為 0.35 毫米。

 

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