Micro CT在植物研究中的應(yīng)用
瀏覽次數(shù):6172 發(fā)布日期:2018-12-20
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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