Micro CT在植物研究中的應(yīng)用

一、前言

Micro CT作為一種三維斷層掃描成像方法，可以根據(jù)植物不同組織對X線的吸收與透過率的不同，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，從而無損探索植物各組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。因而在植物研究中，Micro CT的應(yīng)用也逐漸增多。

二、應(yīng)用

1. 根系

植物根系的分枝結(jié)構(gòu)是植物生命力的決定因素，根系的生長形態(tài)與植物的土壤環(huán)境和植物的基因型息息相關(guān)，因此根系的3D形態(tài)學(xué)分析是評估不同植物競爭優(yōu)勢的重要工具。由于植物的根生長在各種不透明的媒介中，這成為限制觀察植物根系在土壤中的生長情況的主要因素，是獲得原位的根系生長情況的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)和障礙。傳統(tǒng)的洗根掃描法能夠清晰地展現(xiàn)根系，但卻破壞了其原有的狀態(tài)；微根窗法能夠解決原位測量的問題，但卻無法展示探索土壤內(nèi)部的根系分布。
隨著Micro CT的發(fā)展和應(yīng)用，研究者們發(fā)現(xiàn)，利用Micro CT掃描可以無損地原位探索土壤中不同植物的根系變化，可以測量根系的3D結(jié)構(gòu)，獲取根系的形態(tài)學(xué)以及剖面等內(nèi)部性狀，是根系原位研究的重要工具。同時(shí)，根系的算法分割也一直是Micro CT根系原位掃描中需要突破的難點(diǎn)。

例1：平生公司的NEMO® Micro CT在原位狀態(tài)下掃描的水稻根系展示如下，通過CT 三維重建，可觀察到根系的完整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對其內(nèi)部剖面進(jìn)行觀察： 
 

 

左：水稻根Micro CT掃描重建圖； 右：根系分割后3D圖

 

水稻根不同位置剖面圖

2. 種子

目前國際上使用的很多研究種子的先進(jìn)技術(shù)大多是利用熒光法研究種子活力或其萌發(fā)率，這些方法能夠高通量地達(dá)到某些研究目的，但始終無法得知種皮內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化過程。
而種子內(nèi)部的形態(tài)學(xué)信息參數(shù)，以及胚芽和胚乳區(qū)域的瑕疵率等，是評估種子的出芽率和質(zhì)量的關(guān)鍵信息。傳統(tǒng)方法常采用內(nèi)窺鏡來分析種子內(nèi)部的形態(tài)，然而這種方法只能獲得有限的投影，受種子放置方位的影響，很多缺陷無法體現(xiàn)。
而Micro CT通過投影重建、三維成像功能，可提供種子的不同角度的觀察，對于種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)展現(xiàn)更加全面，例如裂隙、內(nèi)部萌芽情況評估、病蟲害情況等等。
例2：以下是利用平生公司的NEMO® Micro CT對一粒水稻種子進(jìn)行掃描成像，并利用平生自己開發(fā)的圖像分析軟件Avatar®進(jìn)行分析處理。在圖像中可清晰觀察到種皮，胚乳、胚牙等內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并可給出這些組織的體積分析結(jié)果。
 

水稻種子Micro CT重建圖（紅色：胚；黃色：胚乳；綠色：種皮）
（注：水稻種子實(shí)物長1cm，寬0.3cm；XX農(nóng)業(yè)大學(xué)提供樣本）

例3：玉米種子（XX農(nóng)業(yè)大學(xué)提供樣本，NEMO® Micro CT掃描結(jié)果）
 

左：玉米種子3D重建后分割渲染；右：任意面斜切展示

例4：麥穗（XXX植物基因研究中心提供樣本，NEMO® Micro CT掃描結(jié)果）

左：麥穗實(shí)物圖；右：3D重建并渲染

3. 果實(shí)

使用Micro CT對果實(shí)的無損掃描，也可觀察到果實(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在營養(yǎng)學(xué)研究與蛀蟲病檢測方面有極大的幫助。（Super Nova® Micro CT掃描結(jié)果）
 

核桃、蘋果、龍眼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（上：實(shí)物；下：掃描重建圖）

 

玉米

4. 莖、葉

通過高分辨率的Micro CT系統(tǒng)的掃描，為研究植物莖流和植物水分方面提供更直觀的3D的觀測方式。（NEMO® Micro CT掃描結(jié)果）
 

玉米桿的剖面圖及3D渲染圖


卷曲后掃描的葉子

三、總述

由此可見，Micro CT不僅在活體動(dòng)物和離體組織的分析研究中具有重要的應(yīng)用，也在植物方面有著特殊的應(yīng)用價(jià)值�？蓮V泛應(yīng)用于植物種子三維結(jié)構(gòu)研究，無損探索種子腔體、胚和胚乳的變化；分析原位研究土壤中根系的三維形態(tài)結(jié)構(gòu)；研究果實(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化；以及植物莖流和植物水分等。
 

Micro CT