Plant Phenomics | 全球糧食安全研究所對大豆根瘤功能結(jié)構(gòu)的同步輻射X射線成像進行可視化與定量評價

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，作物與固氮菌的共生關(guān)系對于氮肥的可持續(xù)替代發(fā)揮著重要作用。大豆作為典型的豆科作物，通過根瘤中的固氮細菌進行氮的生物固氮，這一過程極大地影響了作物的生長與產(chǎn)量。為了更好地理解大豆根瘤中不同組織在氮固定過程中的功能，科學(xué)家們不斷尋求新的技術(shù)手段來可視化和量化根瘤內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

2024年7月，Plant Phenomics 在線發(fā)表了加拿大Global Institute for Food Security題為Visualization and Quantitative Evaluation of Functional Structures of Soybean Root Nodules via Synchrotron X-ray Imaging 的研究論文。這項研究利用同步加速器X射線顯微斷層成像（SR-μCT）技術(shù)，對新鮮大豆根瘤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了非侵入性的三維成像。

研究表明，根瘤中的中央感染區(qū)（CIZ）是固氮細菌集中的區(qū)域，負責(zé)氮氣的轉(zhuǎn)化，而維管束（VBs）則負責(zé)將水分、養(yǎng)分及固氮產(chǎn)物輸送到植物體內(nèi)。通過半自動分割算法，研究團隊生成了大豆根瘤內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維模型，并對這些結(jié)構(gòu)的體積進行了精確的定量分析。

圖2 4周齡大豆植株（基因型PI209332）新鮮根瘤的同步輻射x射線顯微斷層圖像。

圖5 我們研究的3種不同N2固定的大豆基因型中，每個結(jié)節(jié)的中心感染區(qū)（CIZ，紫色）和結(jié)節(jié)脈管系統(tǒng)（藍色）的重建結(jié)節(jié)內(nèi)部組織的三維視圖。

值得注意的是，研究還利用同步輻射X射線熒光成像（SR-XRF）技術(shù)，首次在2D平面上可視化了根瘤內(nèi)鐵和鋅的分布，鐵主要集中在中央感染區(qū)，而鋅則主要分布在維管束中。這些元素的空間分布為理解根瘤的功能提供了新的視角，有望為未來的育種工作提供關(guān)鍵表型信息。

這項研究的成果不僅展示了同步加速器X射線成像技術(shù)在植物內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究中的潛力，還為通過根瘤功能的增強來提高作物固氮能力提供了新思路。

論文鏈接：
https://doi.org/10.34133/plantphenomic‍s.0203

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About Plant Phenomics
《植物表型組學(xué)》（Plant Phenomics）是由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，于2019年1月正式上線發(fā)行。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學(xué)交叉學(xué)科熱點領(lǐng)域具有突破性科研進展的原創(chuàng)性研究論文、綜述、數(shù)據(jù)集和觀點。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術(shù)，基于圖像分析和機器學(xué)習(xí)的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農(nóng)業(yè)實踐中的表型組學(xué)新應(yīng)用，與植物表型相結(jié)合的分子生物學(xué)、植物生理學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、作物模型和其他組學(xué)研究，表型組學(xué)相關(guān)的植物生物學(xué)等。期刊已被DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數(shù)據(jù)庫收錄�？祁Ｎò睯CR2023影響因子為7.6，位于農(nóng)藝學(xué)一區(qū)（1/125名），植物科學(xué)一區(qū)（13/265名），遙感一區(qū)（6/62名）。2023年中科院期刊分區(qū)位于農(nóng)林科學(xué)大類一區(qū)。2020年入選中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊項目、2024年入選江蘇科技期刊卓越行動計劃領(lǐng)軍期刊項目、中國科技期刊卓越行動計劃二期英文梯隊期刊。

說明：本文由《植物表型組學(xué)》編輯部負責(zé)組稿。
中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準。
撰稿：王孟達（南京農(nóng)英大學(xué)）
排版：王平、陳思潔（昆山杜克大學(xué)）
審核：尹歡、孔敏