利用計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)進(jìn)行小麥種子干旱和耐熱脅迫等根系表型研究

基于X光的計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CT）廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究各個(gè)領(lǐng)域，如制藥、納米科學(xué)、材料科學(xué)以及植物科學(xué)等領(lǐng)域。得益于X光CT技術(shù)，在農(nóng)業(yè)以及植物科研進(jìn)展也十分迅速。X光CT成像方法使得高通量、無損、無干擾測(cè)量植物根系統(tǒng)成為可能，也使得植物生長期間對(duì)下游復(fù)雜機(jī)制的研究成為可能。到目前為止，已經(jīng)采集到大量植物CT掃描數(shù)據(jù)，但如何有效、有效對(duì)其進(jìn)行分析，還面臨著挑戰(zhàn)�？蒲腥藛T經(jīng)過對(duì)植物根系3D CT斷層掃描的有效的統(tǒng)計(jì)以及計(jì)算方法進(jìn)行了回顧�；�于圖像的植物根系分析方法劃分如下 (1) 根分區(qū)切割，例如，（1）將根系與非根背景區(qū)分；(2)根系統(tǒng)重建；(3) 提取高層級(jí)表型性狀。
 

實(shí)際環(huán)境下植物分析

理論上，人們可在田間通過人工視覺簡單觀測(cè)植物。但該方法為主觀方法，并不精確。如果一個(gè)人連續(xù)觀測(cè)數(shù)百個(gè)植株，很容易看出趨勢(shì)，但結(jié)果總是不同。因此，研究人員選擇使用非破壞性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，Oliver Scholz教授，X光技術(shù)研發(fā)中心的系統(tǒng)研究組負(fù)責(zé)人表示。要生成有意義數(shù)據(jù)，研究人員需要分析多個(gè)品系的各數(shù)十株植物。該研究所位于Fürth的基地針對(duì)此研究配備了一個(gè)專門溫室以及數(shù)個(gè)環(huán)境箱，用以模擬限定氣候條件。研究者直接讀取并精確分析葉片尺寸、葉面積、傾斜以及曲率等。
 

植物地下部分，例如其根部結(jié)構(gòu)和果序也可提供關(guān)于植物生物量的重要信息。光學(xué)監(jiān)控技術(shù)于此已經(jīng)達(dá)到，這是為何研究人員在此處選擇了X射線。X射線成像和顯微法近幾十年來取得了巨大進(jìn)展。此技術(shù)可輕松用于檢測(cè)鋼制或其它合金材質(zhì)大樣品。在現(xiàn)今系統(tǒng)上可以清楚顯示小材料缺陷，輪胎鋁輪轂或缸頭殼體，易于鑒別。但表型領(lǐng)域研究者面對(duì)不同的挑戰(zhàn)。與工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室多處應(yīng)用不同，表型不僅僅關(guān)注圖像品質(zhì)，成像的限制因素是成像時(shí)間，Stefan Gerth博士-革新系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人表示，該所研究者開發(fā)了自己的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，目標(biāo)是在有效圖像品質(zhì)和更短測(cè)量時(shí)間間取得平衡。
 

X光可幫助研究者看到地下情形。上圖是在不同發(fā)育階段的土豆
 

測(cè)量時(shí)間影響非常大，原因是研究者通常會(huì)測(cè)量一系列產(chǎn)品。長時(shí)測(cè)量在時(shí)間上并不經(jīng)濟(jì)，將植物長時(shí)間放在X光機(jī)內(nèi)相當(dāng)于將植物從其熟悉環(huán)境中“隔離”出來，嚴(yán)重影響效果的有效性。Frauhofer研究所X光技術(shù)研發(fā)中心不斷投入到優(yōu)化X光系統(tǒng)的研究中，從而可約在5-7分鐘完成植物掃描。另外除了特別適應(yīng)的硬件，研究所用的軟件作用也至關(guān)重要。因成像時(shí)間短，源數(shù)據(jù)包含很多噪音，難于處理。智能算法很大程度上對(duì)此進(jìn)行了補(bǔ)償，可全自動(dòng)將植物器官與周圍環(huán)境分離出來。

Frauhofer植物計(jì)算機(jī)斷層掃描表型成像系統(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（無需染色、無需切片）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。

用計(jì)算機(jī)斷層掃描對(duì)小麥的干旱和耐熱脅迫進(jìn)行篩選

提高小麥的非生物脅迫耐受性需要大規(guī)模篩選種子重量、種子數(shù)和單粒重等產(chǎn)量成分，所有這些都非常費(fèi)力，而且對(duì)種子形態(tài)的詳細(xì)分析既耗時(shí)又在視覺上通常是不可能的。計(jì)算機(jī)斷層掃描提供了更快、更準(zhǔn)確地評(píng)估產(chǎn)量成分的機(jī)會(huì)。結(jié)果：對(duì) 203 個(gè)非常多樣化的小麥種質(zhì)進(jìn)行了 X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描分析，這些種質(zhì)已經(jīng)暴露于干旱或干旱和熱脅迫。結(jié)果表明，我們的計(jì)算機(jī)斷層掃描管道能夠以 95-99% 的準(zhǔn)確度評(píng)估顆粒集。大多數(shù)暴露于干旱和熱脅迫的種質(zhì)會(huì)長出更小、干癟的種子，種子表面增加。正如預(yù)期的那樣，與單獨(dú)干旱相比，干旱和高溫聯(lián)合下的種子重量和每穗種子數(shù)以及單個(gè)種子大小顯著降低。在小麥穗的頂部和底部，沿穗的種子重量顯著降低。結(jié)論：我們能夠建立一個(gè)具有更高吞吐量的管道，掃描時(shí)間為每穗 7 分鐘，并且比以前的管道預(yù)測(cè)一組重要的農(nóng)藝種子性狀的準(zhǔn)確性更高，并可視化更復(fù)雜的性狀，例如種子變形。這里介紹的管道可以擴(kuò)大規(guī)模以用于數(shù)萬頭的高通量、高分辨率表型分析，從而大大加快育種工作以提高非生物脅迫耐受性。在小麥穗的頂部和底部，沿穗的種子重量顯著降低。結(jié)論：我們能夠建立一個(gè)具有更高吞吐量的管道，掃描時(shí)間為每穗 7 分鐘，并且比以前的管道預(yù)測(cè)一組重要的農(nóng)藝種子性狀的準(zhǔn)確性更高，并可視化更復(fù)雜的性狀，例如種子變形。這里介紹的管道可以擴(kuò)大規(guī)模以用于數(shù)萬頭的高通量、高分辨率表型分析，從而大大加快育種工作以提高非生物脅迫耐受性。在小麥穗的頂部和底部，沿穗的種子重量顯著降低。結(jié)論：我們能夠建立一個(gè)具有更高吞吐量的管道，掃描時(shí)間為每穗 7 分鐘，并且比以前的管道預(yù)測(cè)一組重要的農(nóng)藝種子性狀的準(zhǔn)確性更高，并可視化更復(fù)雜的性狀，例如種子變形。這里介紹的管道可以擴(kuò)大規(guī)模以用于數(shù)萬頭的高通量、高分辨率表型分析，從而大大加快育種工作以提高非生物脅迫耐受性。我們能夠建立一個(gè)具有更高吞吐量的管道，掃描時(shí)間為每穗 7 分鐘，并且比以前的管道預(yù)測(cè)一組重要的農(nóng)藝種子性狀更準(zhǔn)確，并可視化更復(fù)雜的性狀，例如種子變形。這里介紹的管道可以擴(kuò)大規(guī)模以用于數(shù)萬頭的高通量、高分辨率表型分析，從而大大加快育種工作以提高非生物脅迫耐受性。我們能夠建立一個(gè)具有更高吞吐量的管道，掃描時(shí)間為每穗 7 分鐘，并且比以前的管道預(yù)測(cè)一組重要的農(nóng)藝種子性狀更準(zhǔn)確，并可視化更復(fù)雜的性狀，例如種子變形。這里介紹的管道可以擴(kuò)大規(guī)模以用于數(shù)萬頭的高通量、高分辨率表型分析，從而大大加快育種工作以提高非生物脅迫耐受性。
 

北京博普特科技有限公司擁有系列植物根系研究設(shè)備和系統(tǒng)，將致力促進(jìn)其在植物根系表型組學(xué)以及生態(tài)領(lǐng)域的應(yīng)用。