近年來,隨著前沿生物技術(shù)的發(fā)展和精密儀器的引入,農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究取得了許多突破性進(jìn)展和成果。顯微 CT 技術(shù)以 X 射線成像為原理,為研究人員提供了一種強(qiáng)大的工具,能夠深入探究農(nóng)作物、植物和土壤的微觀世界,為農(nóng)業(yè)科學(xué)研究和生產(chǎn)帶來新的視角與方法。
01 顯微CT技術(shù)簡介
顯微 CT 技術(shù)利用 X 射線照射樣品,通過探測器記錄透射的 X 射線強(qiáng)度分布,再利用計(jì)算機(jī)算法重構(gòu)出樣品的三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)。顯微 CT 技術(shù)能夠在非破壞的情況下,提供高分辨率和三維圖像。
顯微 CT 結(jié)構(gòu)示意圖:射線源和探測器不動(dòng),樣品臺旋轉(zhuǎn)
顯微 CT 技術(shù)可以無損地提供詳細(xì)的材料內(nèi)部信息,包括:
1結(jié)構(gòu)信息:如直徑、體積、表面積、圓度、連通性、空間分布......
2密度信息:如空腔孔隙、元素輕重、成分分布......
3三維模型:如有限元分析、3D 打印......
02 顯微CT在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用
(1)植物內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析
顯微CT 技術(shù)能夠無損地獲取植物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高分辨率三維圖像,這對于研究植物的莖稈維管束、葉片結(jié)構(gòu)、果實(shí)和種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)等具有重要意義。通過顯微CT 技術(shù),研究人員可以詳細(xì)觀察植物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微觀特征,從而更好地理解植物的生長、發(fā)育和適應(yīng)性。
植物莖稈維管束研究
顯微 CT 技術(shù)可以精確地揭示作物莖稈中的維管束分布、形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征,為作物的遺傳解析、抗倒伏性評估、高通量表型數(shù)據(jù)獲取以及數(shù)據(jù)庫構(gòu)建等方面提供了強(qiáng)有力的工具。
作物種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析
顯微 CT 技術(shù)允許對種子進(jìn)行無損檢測,可以探索種子內(nèi)部種皮、胚芽、胚乳等,并進(jìn)行體積分析,幫助評估種子的萌發(fā)潛力、出芽率和質(zhì)量。
使用顯微CT 技術(shù)預(yù)測番茄種子的萌芽潛力,發(fā)芽測試結(jié)果示例:正常幼苗、異常幼苗、死亡種子、未發(fā)芽種子。圖片源于文獻(xiàn)【2】。
A)嚴(yán)重變形的胚胎,B) 輕微變形的胚胎,C) 嚴(yán)重縮小的胚乳,D) 側(cè)向彎曲的子葉,即垂直方向 種子橫切面,E)反折子葉,即種子內(nèi)的一個(gè)或兩個(gè)子葉急劇反折,F(xiàn))胚乳中的孔,G)子葉中的裂縫,N)正常種子結(jié)構(gòu)。圖片源于文獻(xiàn)【2】。
(2)土壤結(jié)構(gòu)及植物根系結(jié)構(gòu)分析
土壤結(jié)構(gòu)研究
土壤團(tuán)聚體微結(jié)構(gòu)對土壤的物理、化學(xué)和生物特性有顯著影響。顯微CT 技術(shù)可以用于掃描土壤樣品,獲取土壤團(tuán)聚體的三維圖像,進(jìn)而分析土壤孔隙度、孔隙分布、團(tuán)聚體穩(wěn)定性等特性。這對于評估土壤質(zhì)量、指導(dǎo)土壤管理和改良措施具有重要價(jià)值。
(A)非飽和多孔土壤團(tuán)聚體的 X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(X 射線 CT)切面、飽和孔隙和非飽和孔隙以及頸部區(qū)域;(B)帶根土壤的顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描重建切面;(C)土壤核心中根網(wǎng)絡(luò)的三維可視化;(D)利用同步加速器 X 射線 CT 表征土壤團(tuán)聚體;(E)在體積密度為 1.3 g cm-3 的土壤微生態(tài)系統(tǒng)薄切片中 DAPI 染色的熒光假單胞菌細(xì)胞(亮藍(lán)色)。圖片源于文獻(xiàn)【3】。
植物根系結(jié)構(gòu)研究
根系是植物的重要器官,用于從土壤中吸收水分和養(yǎng)分。為了有效地吸收水分和養(yǎng)分,植物發(fā)展了不同形態(tài)和功能的根系,如主根和側(cè)根以及根毛。這些不同根系類型在土壤中的空間分布被稱為根系結(jié)構(gòu)(RSA)。
顯微 CT 技術(shù)可以深入研究植物根系結(jié)構(gòu)、生長狀態(tài)和吸收養(yǎng)分的情況。通過高分辨率的三維圖像,科研人員可以觀察到根系的分支、長度和形態(tài),從而更好地理解植物在不同環(huán)境條件下的生長狀況,為優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。
利用顯微CT 技術(shù)實(shí)現(xiàn)水稻根系結(jié)構(gòu)的高通量三維可視化:(a) X 射線 CT 容積按比例放大的水平切片,使用核大小為 1、3、5、7 和 9 的三維中值濾波器進(jìn)行過濾,圖像上方的數(shù)字表示核大小,圖像上的數(shù)字表示對比度與噪聲比。最左側(cè)圖像中的箭頭表示具有代表性的根碎片;(b) 模糊濾波器核大小對邊緣檢測的影響。圖像上方的數(shù)字表示內(nèi)核大小,箭頭表示有代表性的樹根片段,使用內(nèi)核大小 5 時(shí),白色箭頭表示的樹根幾乎不可見,而使用大內(nèi)核大?。ㄈ?57)時(shí),黃色箭頭表示的樹根會粘連在一起;(c )圖像處理后 CT 容積的水平投影,未進(jìn)行閾值處理或尺寸開放;(d )圖像處理后 CT 容積的水平投影,進(jìn)行了閾值處理和尺寸開放。圖片源于文獻(xiàn)【1】。
(3)作物育種
顯微CT 技術(shù)可以無損地獲取作物種子或組織的高分辨三維圖像,使研究人員可以詳細(xì)地分析作物內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表型特征。它為作物遺傳改良、功能基因研究、品質(zhì)評價(jià)以及抗性機(jī)制研究提供了一種新的研究手段。隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的深入,顯微CT 技術(shù)有望在作物育種中發(fā)揮更加重要的作用。
使用顯微CT 研究稻米堊白的形狀和位置(a)。白腹(X220)、白核(X226)、白全(香早仙)和白背(X191)堊白精米;分別具有白腹(b)、白核(c)、白全(d)和白背(e)堊白的精米的橫截面圖像、重建的3D稻米圖像和重建的3D堊白圖像。紅色箭頭所示的深色區(qū)域代表稻米堊白的位置。圖片源于文獻(xiàn)【4】。
糙米:糙米是稻谷脫殼后不加工或較少加工得到的,由米糠 、胚芽和胚乳三大部分組成。與精白米相比,糙米較高程度地實(shí)現(xiàn)了稻谷的全營養(yǎng)保留。其米糠層富含膳食纖維,約占據(jù)營養(yǎng)成分的 5%。糙米比較難煮熟,口感相對較差,較難消化。
精白米:精白米就是我們平時(shí)吃的大米,去掉胚芽,但保留胚乳的部分。精白米富含淀粉,只占據(jù)營養(yǎng)成分的 5%,相對易熟,口感較好。
(4)病蟲害防治
顯微CT 技術(shù)可以幫助研究人員在不破壞樣品的情況下,觀察植物內(nèi)部的病蟲害情況,如昆蟲在植物體內(nèi)的取食痕跡、病原菌的侵染路徑等。這有助于開發(fā)更有效的病蟲害防治策略和方法。
總體而言,顯微CT 技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用為農(nóng)業(yè)科研和生產(chǎn)提供了全新的手段,通過對微觀結(jié)構(gòu)的高精度觀測,為優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、改善土壤管理和提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量提供了重要的數(shù)據(jù)支持。未來隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,顯微CT 技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。
參考文獻(xiàn)
【1】Shota Teramoto. et al. High-throughput three-dimensional visualization of root system architecture of rice using X-ray computed tomography . Plant Methods. 16, Article number: 66 (2020).
【2】Laura Gargiulo. et al. Micro-CT imaging of tomato seeds: Predictive potential of 3D morphometry on germination. Biosystems Engineering 200, 112–122 (2020).
【3】Ghosh Tridiv, Maity Pragati Pramanik, Rabbi Sheikh M. F., Das T. K., Bhattacharyya Ranjan.(2023).Application of X-ray computed tomography in soil and plant -a review. Frontiers in Environmental Science
【4】3D Visualization and Volume-Based Quantification of Rice Chalkiness In Vivo by Using High Resolution Micro-CT. Rice 13, 69 (2020).
傳真:
地址:上海市閔行區(qū)虹橋鎮(zhèn)申濱路 88 號上海虹橋麗寶廣場 T5,705 室
版權(quán)所有 © 2018 復(fù)納科學(xué)儀器(上海)有限公司 備案號:滬ICP備12015467號-2 管理登陸 技術(shù)支持:化工儀器網(wǎng) GoogleSitemap