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显微 CT 技术在农业领域中的应用

 更新时间:2024-07-04 点击量:152

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近年来,随着前沿生物技术的发展和精密仪器的引入,农业领域的研究取得了许多突破性进展和成果。显微 CT 技术以 X 射线成像为原理,为研究人员提供了一种强大的工具,能够深入探究农作物、植物和土壤的微观世界,为农业科学研究和生产带来新的视角与方法。

01 显微CT技术简介  

显微 CT 技术利用 X 射线照射样品,通过探测器记录透射的 X 射线强度分布,再利用计算机算法重构出样品的三维内部结构。显微 CT 技术能够在非破坏的情况下,提供高分辨率和三维图像。

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显微 CT 结构示意图:射线源和探测器不动,样品台旋转

显微 CT 技术可以无损地提供详细的材料内部信息,包括:

1结构信息:如直径、体积、表面积、圆度、连通性、空间分布......

2密度信息:如空腔孔隙、元素轻重、成分分布......

3三维模型:如有限元分析、3D 打印......

02 显微CT在农业领域中的应用 

(1)植物内部结构分析

显微CT 技术能够无损地获取植物内部结构的高分辨率三维图像,这对于研究植物的茎秆维管束、叶片结构、果实和种子内部结构等具有重要意义。通过显微CT 技术,研究人员可以详细观察植物内部结构的微观特征,从而更好地理解植物的生长、发育和适应性。

  • 植物茎秆维管束研究

显微 CT 技术可以精确地揭示作物茎秆中的维管束分布、形态和结构特征,为作物的遗传解析、抗倒伏性评估、高通量表型数据获取以及数据库构建等方面提供了强有力的工具。

  • 作物种子内部结构分析

显微 CT 技术允许对种子进行无损检测,可以探索种子内部种皮、胚芽、胚乳等,并进行体积分析,帮助评估种子的萌发潜力、出芽率和质量。

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使用显微CT 技术预测番茄种子的萌芽潜力,发芽测试结果示例:正常幼苗、异常幼苗、死亡种子、未发芽种子。图片源于文献【2】。

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A)严重变形的胚胎,B) 轻微变形的胚胎,C) 严重缩小的胚乳,D) 侧向弯曲的子叶,即垂直方向 种子横切面,E)反折子叶,即种子内的一个或两个子叶急剧反折,F)胚乳中的孔,G)子叶中的裂缝,N)正常种子结构。图片源于文献【2】。

(2)土壤结构及植物根系结构分析

  • 土壤结构研究

土壤团聚体微结构对土壤的物理、化学和生物特性有显著影响。显微CT 技术可以用于扫描土壤样品,获取土壤团聚体的三维图像,进而分析土壤孔隙度、孔隙分布、团聚体稳定性等特性。这对于评估土壤质量、指导土壤管理和改良措施具有重要价值。

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(A)非饱和多孔土壤团聚体的 X 射线计算机断层扫描(X 射线 CT)切面、饱和孔隙和非饱和孔隙以及颈部区域;(B)带根土壤的显微计算机断层扫描重建切面;(C)土壤核心中根网络的三维可视化;(D)利用同步加速器 X 射线 CT 表征土壤团聚体;(E)在体积密度为 1.3 g cm-3 的土壤微生态系统薄切片中 DAPI 染色的荧光假单胞菌细胞(亮蓝色)。图片源于文献【3】。

  • 植物根系结构研究

根系是植物的重要器官,用于从土壤中吸收水分和养分。为了有效地吸收水分和养分,植物发展了不同形态和功能的根系,如主根和侧根以及根毛。这些不同根系类型在土壤中的空间分布被称为根系结构(RSA)。

显微 CT 技术可以深入研究植物根系结构、生长状态和吸收养分的情况。通过高分辨率的三维图像,科研人员可以观察到根系的分支、长度和形态,从而更好地理解植物在不同环境条件下的生长状况,为优化农业生产提供科学依据。

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利用显微CT 技术实现水稻根系结构的高通量三维可视化:(a) X 射线 CT 容积按比例放大的水平切片,使用核大小为 1、3、5、7 和 9 的三维中值滤波器进行过滤,图像上方的数字表示核大小,图像上的数字表示对比度与噪声比。最左侧图像中的箭头表示具有代表性的根碎片;(b) 模糊滤波器核大小对边缘检测的影响。图像上方的数字表示内核大小,箭头表示有代表性的树根片段,使用内核大小 5 时,白色箭头表示的树根几乎不可见,而使用大内核大小(如 57)时,黄色箭头表示的树根会粘连在一起;(c )图像处理后 CT 容积的水平投影,未进行阈值处理或尺寸开放;(d )图像处理后 CT 容积的水平投影,进行了阈值处理和尺寸开放。图片源于文献【1】。

(3)作物育种

显微CT 技术可以无损地获取作物种子或组织的高分辨三维图像,使研究人员可以详细地分析作物内部结构和表型特征。它为作物遗传改良、功能基因研究、品质评价以及抗性机制研究提供了一种新的研究手段。随着技术的发展和应用的深入,显微CT 技术有望在作物育种中发挥更加重要的作用。

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使用显微CT 研究稻米垩白的形状和位置(a)。白腹(X220)、白核(X226)、白全(香早仙)和白背(X191)垩白精米;分别具有白腹(b)、白核(c)、白全(d)和白背(e)垩白的精米的横截面图像、重建的3D稻米图像和重建的3D垩白图像。红色箭头所示的深色区域代表稻米垩白的位置。图片源于文献【4】。

糙米:糙米是稻谷脱壳后不加工或较少加工得到的,由米糠 、胚芽和胚乳三大部分组成。与精白米相比,糙米较高程度地实现了稻谷的全营养保留。其米糠层富含膳食纤维,约占据营养成分的 5%。糙米比较难煮熟,口感相对较差,较难消化。

精白米:精白米就是我们平时吃的大米,去掉胚芽,但保留胚乳的部分。精白米富含淀粉,只占据营养成分的 5%,相对易熟,口感较好。

(4)病虫害防治

显微CT 技术可以帮助研究人员在不破坏样品的情况下,观察植物内部的病虫害情况,如昆虫在植物体内的取食痕迹、病原菌的侵染路径等。这有助于开发更有效的病虫害防治策略和方法。

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总体而言,显微CT 技术在农业领域的应用为农业科研和生产提供了全新的手段,通过对微观结构的高精度观测,为优化农业生产、改善土壤管理和提高农产品质量提供了重要的数据支持。未来随着技术的不断进步,显微CT 技术在农业领域的应用前景将更加广阔。 

参考文献

【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).

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