利用计算机断层扫描系统进行小麦种子干旱和耐热胁迫等根系表型研究

基于X光的计算机断层扫描技术（CT）广泛应用于科学研究各个领域，如制药、纳米科学、材料科学以及植物科学等领域。得益于X光CT技术，在农业以及植物科研进展也十分迅速。X光CT成像方法使得高通量、无损、无干扰测量植物根系统成为可能，也使得植物生长期间对下游复杂机制的研究成为可能。到目前为止，已经采集到大量植物CT扫描数据，但如何有效、有效对其进行分析，还面临着挑战。科研人员经过对植物根系3D CT断层扫描的有效的统计以及计算方法进行了回顾。基于图像的植物根系分析方法划分如下 (1) 根分区切割，例如，（1）将根系与非根背景区分；(2)根系统重建；(3) 提取高层级表型性状。
 

实际环境下植物分析

理论上，人们可在田间通过人工视觉简单观测植物。但该方法为主观方法，并不精确。如果一个人连续观测数百个植株，很容易看出趋势，但结果总是不同。因此，研究人员选择使用非破坏性监测系统，Oliver Scholz教授，X光技术研发中心的系统研究组负责人表示。要生成有意义数据，研究人员需要分析多个品系的各数十株植物。该研究所位于Fürth的基地针对此研究配备了一个专门温室以及数个环境箱，用以模拟限定气候条件。研究者直接读取并精确分析叶片尺寸、叶面积、倾斜以及曲率等。
 

植物地下部分，例如其根部结构和果序也可提供关于植物生物量的重要信息。光学监控技术于此已经达到，这是为何研究人员在此处选择了X射线。X射线成像和显微法近几十年来取得了巨大进展。此技术可轻松用于检测钢制或其它合金材质大样品。在现今系统上可以清楚显示小材料缺陷，轮胎铝轮毂或缸头壳体，易于鉴别。但表型领域研究者面对不同的挑战。与工业和实验室多处应用不同，表型不仅仅关注图像品质，成像的限制因素是成像时间，Stefan Gerth博士-革新系统设计团队负责人表示，该所研究者开发了自己的实验室系统，目标是在有效图像品质和更短测量时间间取得平衡。
 

X光可帮助研究者看到地下情形。上图是在不同发育阶段的土豆
 

测量时间影响非常大，原因是研究者通常会测量一系列产品。长时测量在时间上并不经济，将植物长时间放在X光机内相当于将植物从其熟悉环境中“隔离”出来，严重影响效果的有效性。Frauhofer研究所X光技术研发中心不断投入到优化X光系统的研究中，从而可约在5-7分钟完成植物扫描。另外除了特别适应的硬件，研究所用的软件作用也至关重要。因成像时间短，源数据包含很多噪音，难于处理。智能算法很大程度上对此进行了补偿，可全自动将植物器官与周围环境分离出来。

Frauhofer植物计算机断层扫描表型成像系统采用微焦点X射线成像原理进行分辨率三维成像，可以在不破坏样品（无需染色、无需切片）的情况下，获得高精度三维图像，显示样品内部详尽的三维信息，并进行结构、密度的定量分析，适用于观察植物化石样品结构和植物活体组织的细胞结构，近年来被广泛应用于结构学、组织学、生物学特别是古生物学等研究领域，例如花、果实、种子、根系等研究。

用计算机断层扫描对小麦的干旱和耐热胁迫进行筛选

提高小麦的非生物胁迫耐受性需要大规模筛选种子重量、种子数和单粒重等产量成分，所有这些都非常费力，而且对种子形态的详细分析既耗时又在视觉上通常是不可能的。计算机断层扫描提供了更快、更准确地评估产量成分的机会。结果：对 203 个非常多样化的小麦种质进行了 X 射线计算机断层扫描分析，这些种质已经暴露于干旱或干旱和热胁迫。结果表明，我们的计算机断层扫描管道能够以 95-99% 的准确度评估颗粒集。大多数暴露于干旱和热胁迫的种质会长出更小、干瘪的种子，种子表面增加。正如预期的那样，与单独干旱相比，干旱和高温联合下的种子重量和每穗种子数以及单个种子大小显着降低。在小麦穗的顶部和底部，沿穗的种子重量显着降低。结论：我们能够建立一个具有更高吞吐量的管道，扫描时间为每穗 7 分钟，并且比以前的管道预测一组重要的农艺种子性状的准确性更高，并可视化更复杂的性状，例如种子变形。这里介绍的管道可以扩大规模以用于数万头的高通量、高分辨率表型分析，从而大大加快育种工作以提高非生物胁迫耐受性。在小麦穗的顶部和底部，沿穗的种子重量显着降低。结论：我们能够建立一个具有更高吞吐量的管道，扫描时间为每穗 7 分钟，并且比以前的管道预测一组重要的农艺种子性状的准确性更高，并可视化更复杂的性状，例如种子变形。这里介绍的管道可以扩大规模以用于数万头的高通量、高分辨率表型分析，从而大大加快育种工作以提高非生物胁迫耐受性。在小麦穗的顶部和底部，沿穗的种子重量显着降低。结论：我们能够建立一个具有更高吞吐量的管道，扫描时间为每穗 7 分钟，并且比以前的管道预测一组重要的农艺种子性状的准确性更高，并可视化更复杂的性状，例如种子变形。这里介绍的管道可以扩大规模以用于数万头的高通量、高分辨率表型分析，从而大大加快育种工作以提高非生物胁迫耐受性。我们能够建立一个具有更高吞吐量的管道，扫描时间为每穗 7 分钟，并且比以前的管道预测一组重要的农艺种子性状更准确，并可视化更复杂的性状，例如种子变形。这里介绍的管道可以扩大规模以用于数万头的高通量、高分辨率表型分析，从而大大加快育种工作以提高非生物胁迫耐受性。我们能够建立一个具有更高吞吐量的管道，扫描时间为每穗 7 分钟，并且比以前的管道预测一组重要的农艺种子性状更准确，并可视化更复杂的性状，例如种子变形。这里介绍的管道可以扩大规模以用于数万头的高通量、高分辨率表型分析，从而大大加快育种工作以提高非生物胁迫耐受性。
 

北京博普特科技有限公司拥有系列植物根系研究设备和系统，将致力促进其在植物根系表型组学以及生态领域的应用。