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近年來(lái)，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(xiàn)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(guān)世界，為農(nóng)業(yè)科學(xué)研究和生產(chǎn)帶來(lái)新的視角與方法。

01 顯微CT技術(shù)簡(jiǎn)介  

顯微 CT 技術(shù)利用 X 射線(xiàn)照射樣品，通過(guò)探測(cè)器記錄透射的 X 射線(xiàn)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(xiàn)源和探測(cè)器不動(dòng)，樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)

顯微 CT 技術(shù)可以無(wú)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(wú)損地獲取植物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高分辨率三維圖像，這對(duì)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(guò)顯微CT 技術(shù)，研究人員可以詳細(xì)觀(guān)察植物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微觀(guān)特征，從而更好地理解植物的生長(zhǎng)、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(píng)估、高通量表型數(shù)據(jù)獲取以及數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)種子進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，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(píng)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(cè)番茄種子的萌芽潛力，發(fā)芽測(cè)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(duì)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(duì)于評(píng)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(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層掃描（X 射線(xiàn) 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(xiàn) 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(lèi)型在土壤中的空間分布被稱(chēng)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(zhǎng)狀態(tài)和吸收養(yǎng)分的情況。通過(guò)高分辨率的三維圖像，科研人員可以觀(guān)察到根系的分支、長(zhǎng)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(zhǎng)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(xiàn) 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(guò)濾，圖像上方的數(shù)字表示核大小，圖像上的數(shù)字表示對(duì)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(duì)邊緣檢測(cè)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(shù)根片段，使用內(nèi)核大小 5 時(shí)，白色箭頭表示的樹(shù)根幾乎不可見(jiàn)，而使用大內(nèi)核大小（如 57）時(shí)，黃色箭頭表示的樹(shù)根會(huì)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(kāi)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(kāi)放。圖片源于文獻(xiàn)【1】。

（3）作物育種

顯微CT 技術(shù)可以無(wú)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(píng)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(yíng)養(yǎng)保留。其米糠層富含膳食纖維，約占據(jù)營(yíng)養(yǎng)成分的 5%。糙米比較難煮熟，口感相對(duì)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(yíng)養(yǎng)成分的 5%，相對(duì)易熟，口感較好。

（4）病蟲(chóng)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(guān)察植物內(nèi)部的病蟲(chóng)害情況，如昆蟲(chóng)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(kāi)發(fā)更有效的病蟲(chóng)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(guò)對(duì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)的高精度觀(guān)測(cè)，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(lái)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).