顯微CT技術在農(nóng)業(yè)領域中的應用：植物內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析、土壤結(jié)構(gòu)研究等

近年來，隨著前沿生物技術的發(fā)展和精密儀器的引入，農(nóng)業(yè)領域的研究取得了許多突破性進展和成果。顯微 CT 技術以 X 射線成像為原理，為研究人員提供了一種強大的工具，能夠深入探究農(nóng)作物、植物和土壤的微觀世界，為農(nóng)業(yè)科學研究和生產(chǎn)帶來新的視角與方法。

01 顯微CT技術簡介 
顯微 CT 技術利用 X 射線照射樣品，通過探測器記錄透射的 X 射線強度分布，再利用計算機算法重構(gòu)出樣品的三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其獨特之處在于能夠在非破壞的情況下，提供高分辨率和全方位的三維圖像。
 

顯微 CT 結(jié)構(gòu)示意圖：射線源和探測器不動，樣品臺旋轉(zhuǎn)

顯微 CT 技術可以無損地提供詳細的材料內(nèi)部信息，包括：
1 結(jié)構(gòu)信息：如直徑、體積、表面積、圓度、連通性、空間分布......
2 密度信息：如空腔孔隙、元素輕重、成分分布......
3 三維模型：如有限元分析、3D 打印......

02 顯微CT在農(nóng)業(yè)領域中的應用
（1）植物內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析
顯微CT 技術能夠無損地獲取植物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高分辨率三維圖像，這對于研究植物的莖稈維管束、葉片結(jié)構(gòu)、果實和種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)等具有重要意義。通過顯微CT 技術，研究人員可以詳細觀察植物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微觀特征，從而更好地理解植物的生長、發(fā)育和適應性。

• 植物莖稈維管束研究

顯微 CT 技術可以精確地揭示作物莖稈中的維管束分布、形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征，為作物的遺傳解析、抗倒伏性評估、高通量表型數(shù)據(jù)獲取以及數(shù)據(jù)庫構(gòu)建等方面提供了強有力的工具。

• 作物種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

顯微 CT 技術允許對種子進行無損檢測，可以探索種子內(nèi)部種皮、胚芽、胚乳等，并進行體積分析，幫助評估種子的萌發(fā)潛力、出芽率和質(zhì)量。
 

使用顯微CT 技術預測番茄種子的萌芽潛力，發(fā)芽測試結(jié)果示例：正常幼苗、異常幼苗、死亡種子、未發(fā)芽種子。圖片源于文獻【2】。

A）嚴重變形的胚胎，B) 輕微變形的胚胎，C) 嚴重縮小的胚乳，D) 側(cè)向彎曲的子葉，即垂直方向 種子橫切面，E）反折子葉，即種子內(nèi)的一個或兩個子葉急劇反折，F(xiàn)）胚乳中的孔，G）子葉中的裂縫，N）正常種子結(jié)構(gòu)。圖片源于文獻【2】。

（2）土壤結(jié)構(gòu)及植物根系結(jié)構(gòu)分析

• 土壤結(jié)構(gòu)研究

土壤團聚體微結(jié)構(gòu)對土壤的物理、化學和生物特性有顯著影響。顯微CT 技術可以用于掃描土壤樣品，獲取土壤團聚體的三維圖像，進而分析土壤孔隙度、孔隙分布、團聚體穩(wěn)定性等特性。這對于評估土壤質(zhì)量、指導土壤管理和改良措施具有重要價值。
 

（A）非飽和多孔土壤團聚體的 X 射線計算機斷層掃描（X 射線 CT）切面、飽和孔隙和非飽和孔隙以及頸部區(qū)域；（B）帶根土壤的顯微計算機斷層掃描重建切面；（C）土壤核心中根網(wǎng)絡的三維可視化；（D）利用同步加速器 X 射線 CT 表征土壤團聚體；（E）在體積密度為 1.3 g cm-3 的土壤微生態(tài)系統(tǒng)薄切片中 DAPI 染色的熒光假單胞菌細胞（亮藍色）。圖片源于文獻【3】。

• 植物根系結(jié)構(gòu)研究

根系是植物的重要器官，用于從土壤中吸收水分和養(yǎng)分。為了有效地吸收水分和養(yǎng)分，植物發(fā)展了不同形態(tài)和功能的根系，如主根和側(cè)根以及根毛。這些不同根系類型在土壤中的空間分布被稱為根系結(jié)構(gòu)（RSA）。

顯微 CT 技術可以深入研究植物根系結(jié)構(gòu)、生長狀態(tài)和吸收養(yǎng)分的情況。通過高分辨率的三維圖像，科研人員可以觀察到根系的分支、長度和形態(tài)，從而更好地理解植物在不同環(huán)境條件下的生長狀況，為優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學依據(jù)。
 

利用顯微CT 技術實現(xiàn)水稻根系結(jié)構(gòu)的高通量三維可視化：(a) X 射線 CT 容積按比例放大的水平切片，使用核大小為 1、3、5、7 和 9 的三維中值濾波器進行過濾，圖像上方的數(shù)字表示核大小，圖像上的數(shù)字表示對比度與噪聲比。最左側(cè)圖像中的箭頭表示具有代表性的根碎片；(b) 模糊濾波器核大小對邊緣檢測的影響。圖像上方的數(shù)字表示內(nèi)核大小，箭頭表示有代表性的樹根片段，使用內(nèi)核大小 5 時，白色箭頭表示的樹根幾乎不可見，而使用大內(nèi)核大�。ㄈ� 57）時，黃色箭頭表示的樹根會粘連在一起；(c )圖像處理后 CT 容積的水平投影，未進行閾值處理或尺寸開放；(d )圖像處理后 CT 容積的水平投影，進行了閾值處理和尺寸開放。圖片源于文獻【1】。

（3）作物育種
顯微CT 技術可以無損地獲取作物種子或組織的高分辨三維圖像，使研究人員可以詳細地分析作物內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表型特征。它為作物遺傳改良、功能基因研究、品質(zhì)評價以及抗性機制研究提供了一種新的研究手段。隨著技術的發(fā)展和應用的深入，顯微CT 技術有望在作物育種中發(fā)揮更加重要的作用。
 

使用顯微CT 研究稻米堊白的形狀和位置（a)。白腹（X220）、白核（X226）、白全（香早仙）和白背（X191）堊白精米；分別具有白腹（b）、白核（c）、白全（d）和白背（e）堊白的精米的橫截面圖像、重建的3D稻米圖像和重建的3D堊白圖像。紅色箭頭所示的深色區(qū)域代表稻米堊白的位置。圖片源于文獻【4】。

糙米：糙米是稻谷脫殼后不加工或較少加工得到的，由米糠 、胚芽和胚乳三大部分組成。與精白米相比，糙米較高程度地實現(xiàn)了稻谷的全營養(yǎng)保留。其米糠層富含膳食纖維，約占據(jù)營養(yǎng)成分的 5%。糙米比較難煮熟，口感相對較差，較難消化。

精白米：精白米就是我們平時吃的大米，去掉胚芽，但保留胚乳的部分。精白米富含淀粉，只占據(jù)營養(yǎng)成分的 5%，相對易熟，口感較好。

（4）病蟲害防治
顯微CT 技術可以幫助研究人員在不破壞樣品的情況下，觀察植物內(nèi)部的病蟲害情況，如昆蟲在植物體內(nèi)的取食痕跡、病原菌的侵染路徑等。這有助于開發(fā)更有效的病蟲害防治策略和方法。
 

總體而言，顯微CT 技術在農(nóng)業(yè)領域的應用為農(nóng)業(yè)科研和生產(chǎn)提供了全新的手段，通過對微觀結(jié)構(gòu)的高精度觀測，為優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、改善土壤管理和提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量提供了重要的數(shù)據(jù)支持。未來隨著技術的不斷進步，顯微CT 技術在農(nóng)業(yè)領域的應用前景將更加廣闊。

參考文獻
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【2】Laura Gargiulo. et al. Micro-CT imaging of tomato seeds: Predictive potential of 3D morphometry on germination. Biosystems Engineering 200, 112–122 (2020).
【3】Ghosh Tridiv, Maity Pragati Pramanik, Rabbi Sheikh M. F., Das T. K., Bhattacharyya Ranjan.(2023).Application of X-ray computed tomography in soil and plant -a review. Frontiers in Environmental Science
【4】3D Visualization and Volume-Based Quantification of Rice Chalkiness In Vivo by Using High Resolution Micro-CT. Rice 13, 69 (2020).