基于X光的計算機斷層掃描技術(shù)（CT）廣泛應用于科學研究各個領域，如制藥、納米科學、材料科學以及植物科學等領域。得益于X光CT技術(shù)，在農(nóng)業(yè)以及植物科研進展也十分迅速。X光CT成像方法使得高通量、無損、無干擾測量植物根系統(tǒng)成為可能，也使得植物生長期間對下游復雜機制的研究成為可能。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、有效對其進行分析，還面臨著挑戰(zhàn)�？蒲腥藛T經(jīng)過對植物根系3D CT斷層掃描的有效的統(tǒng)計以及計算方法進行了回顧�；�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) 提取高層級表型性狀。
 

實際環(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植物。但該方法為主觀方法，并不精確。如果一個人連續(xù)觀測數(shù)百個植株，很容易看出趨勢，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)研究組負責人表示。要生成有意義數(shù)據(jù)，研究人員需要分析多個品系的各數(shù)十株植物。該研究所位于Fürth的基地針對此研究配備了一個專門溫室以及數(shù)個環(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)和果序也可提供關于植物生物量的重要信息。光學監(jiān)控技術(shù)于此已經(jīng)達到，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展。此技術(shù)可輕松用于檢測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。但表型領域研究者面對不同的挑戰(zhàn)。與工業(yè)和實驗室多處應用不同，表型不僅僅關注圖像品質(zhì)，成像的限制因素是成像時間，Stefan Gerth博士-革新系統(tǒng)設計團隊負責人表示，該所研究者開發(fā)了自己的實驗室系統(tǒng)，目標是在有效圖像品質(zhì)和更短測量時間間取得平衡。
 

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
 

測量時間影響非常大，原因是研究者通常會測量一系列產(chǎn)品。長時測量在時間上并不經(jīng)濟，將植物長時間放在X光機內(nèi)相當于將植物從其熟悉環(huán)境中“隔離”出來，嚴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。另外除了特別適應的硬件，研究所用的軟件作用也至關重要。因成像時間短，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此進行了補償，可全自動將植物器官與周圍環(huán)境分離出來。

Frauhofer植物計算機斷層掃描表型成像系統(tǒng)采用微焦點X射線成像原理進行分辨率三維成像，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胞結(jié)構(gòu)，近年來被廣泛應用于結(jié)構(gòu)學、組織學、生物學特別是古生物學等研究領域，例如花、果實、種子、根系等研究。

用計算機斷層掃描對小麥的干旱和耐熱脅迫進行篩選

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，所有這些都非常費力，而且對種子形態(tài)的詳細分析既耗時又在視覺上通常是不可能的。計算機斷層掃描提供了更快、更準確地評估產(chǎn)量成分的機會。結(jié)果：對 203 個非常多樣化的小麥種質(zhì)進行了 X 射線計算機斷層掃描分析，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，我們的計算機斷層掃描管道能夠以 95-99% 的準確度評估顆粒集。大多數(shù)暴露于干旱和熱脅迫的種質(zhì)會長出更小、干癟的種子，種子表面增加。正如預期的那樣，與單獨干旱相比，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：我們能夠建立一個具有更高吞吐量的管道，掃描時間為每穗 7 分鐘，并且比以前的管道預測一組重要的農(nóng)藝種子性狀的準確性更高，并可視化更復雜的性狀，例如種子變形。這里介紹的管道可以擴大規(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：我們能夠建立一個具有更高吞吐量的管道，掃描時間為每穗 7 分鐘，并且比以前的管道預測一組重要的農(nóng)藝種子性狀的準確性更高，并可視化更復雜的性狀，例如種子變形。這里介紹的管道可以擴大規(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：我們能夠建立一個具有更高吞吐量的管道，掃描時間為每穗 7 分鐘，并且比以前的管道預測一組重要的農(nóng)藝種子性狀的準確性更高，并可視化更復雜的性狀，例如種子變形。這里介紹的管道可以擴大規(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。我們能夠建立一個具有更高吞吐量的管道，掃描時間為每穗 7 分鐘，并且比以前的管道預測一組重要的農(nóng)藝種子性狀更準確，并可視化更復雜的性狀，例如種子變形。這里介紹的管道可以擴大規(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。我們能夠建立一個具有更高吞吐量的管道，掃描時間為每穗 7 分鐘，并且比以前的管道預測一組重要的農(nóng)藝種子性狀更準確，并可視化更復雜的性狀，例如種子變形。這里介紹的管道可以擴大規(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備和系統(tǒng)，將致力促進其在植物根系表型組學以及生態(tài)領域的應用。