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(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 射線照射樣品，通過(guò)探測(cè)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(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(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(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 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?。ㄈ?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)微觀結(jié)構(gòu)的高精度觀測(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).