改進(jìn)的成像技術(shù)推動了我們測量作物物種性狀的方式

唐納德丹佛斯植物科學(xué)中心

測量植物表型是一個用于描述生物體可觀察特征的術(shù)語，是研究和改良具有重要經(jīng)濟(jì)意義的作物的一個關(guān)鍵方面。育種過程的核心表型包括玉米粒數(shù)、小麥種子大小或葡萄果實顏色等性狀。這些特征是肉眼可見的，但實際上是由植物中的微觀分子和細(xì)胞過程驅(qū)動的。使用三維 (3D) 成像是植物生物學(xué)領(lǐng)域最近的一項創(chuàng)新，用于捕獲“全植物"規(guī)模的表型：從根部的微小細(xì)胞和細(xì)胞器，到葉子和花朵。然而，目前的 3D成像過程受到耗時的樣品制備和成像深度的限制，通常只能到達(dá)植物組織內(nèi)的幾層細(xì)胞。

測量植物表型是一個用于描述生物體可觀察特征的術(shù)語，是研究和改良具有重要經(jīng)濟(jì)意義的作物的一個關(guān)鍵方面。育種過程的核心表型包括玉米粒數(shù)、小麥種子大小或葡萄果實顏色等性狀。這些特征是肉眼可見的，但實際上是由植物中的微觀分子和細(xì)胞過程驅(qū)動的。使用三維 (3D) 成像是植物生物學(xué)領(lǐng)域的一項創(chuàng)新，用于捕獲“全植物"規(guī)模的表型：從根部的微小細(xì)胞和細(xì)胞器，到葉子和花朵。然而，目前的 3D成像過程受到耗時的樣品制備和成像深度的限制，通常只能到達(dá)植物組織內(nèi)的幾層細(xì)胞。由唐納德丹福斯植物科學(xué)中心副成員 Christopher Topp 博士和他實驗室的研究科學(xué)家 Keith Duncan 的新研究開創(chuàng)了 X 射線顯微鏡技術(shù)，以的速度對植物細(xì)胞、整個組織甚至器官進(jìn)行成像具有細(xì)胞分辨率的深度。這項工作得到了 Valent BioSciences LLC 和住友化學(xué)公司的支持，最近發(fā)表在科學(xué)期刊《植物生理學(xué)》上，題為X 射線顯微鏡能夠?qū)χ参锛?xì)胞、組織和器官進(jìn)行多尺度高分辨率 3D 成像。這項工作將使植物科學(xué)家能夠以革命性的清晰度研究地上和地下特征。

“這篇論文關(guān)注的是多尺度，"通訊作者克里斯托普說，“因為植物是多尺度的。玉米穗開始時是一個稱為分生組織的微觀細(xì)胞群。分生組織細(xì)胞最終將形成玉米植物的所有可見部分通過分裂和成長。" 他們改進(jìn)的 3D X 射線顯微鏡 (XRM) 技術(shù)使研究人員能夠?qū)⒅参锏陌l(fā)育微觀結(jié)構(gòu)（例如分生組織細(xì)胞）與成熟時的可見特征（例如葉子和花朵）聯(lián)系起來。換句話說，3D XRM 提供了整個植物器官和組織的細(xì)胞水平分辨率。

此外，他們的 XRM 方法還可以以的分辨率對地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，包括根、真菌和其他微生物。“植物根部驅(qū)動著許多重要的生物過程；它們以土壤中的微生物為食，作為回報，植物獲得磷和氮，"Topp 解釋說?！拔覀冎栏臀⑸镏g的相互作用很重要，因為在我們發(fā)明化肥之前，它是磷和氮的主要來源。" 我們在標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實踐中對化肥的依賴反過來又對氣候變化做出了重大貢獻(xiàn)?！霸谶^去的 100 年里，所有可生物利用的氮中有一半是在一家工廠生產(chǎn)的，"托普繼續(xù)說道。"

與植物生物學(xué)中的其他成像方法相比，3D XRM 方法是無二的，因為它能夠產(chǎn)生基本的植物結(jié)構(gòu) 3D 清晰度。其他常用方法（例如基于光子的斷層掃描）受到淺成像深度的限制，并在少數(shù)幾種植物中進(jìn)行了優(yōu)化。相比之下，通過使用 3D XRM，由 Topp 和 Duncan 的團(tuán)隊能夠在包括玉米、谷子、大豆、畫眉草在內(nèi)的一系列經(jīng)濟(jì)重要作物中對“不適應(yīng)典型光學(xué)方法的厚組織"進(jìn)行成像，和葡萄?！斑@篇論文展示了 3D XRM 可以做的廣度，"Topp 指出。

本文的一個主要目標(biāo)是為其他對 3D XRM 成像感興趣的植物科學(xué)家建立一個可重復(fù)的協(xié)議。為此，主要作者基思·鄧肯（Keith Duncan）花費了大量時間——以及反復(fù)試驗——準(zhǔn)備樣品以優(yōu)化植物與其背景之間的對比度。X 射線成像通過差異吸收起作用，其中致密物質(zhì)（如土壤中的礦物質(zhì)）吸收更多的 X 射線并在圖像上顯示更暗。然而，像植物組織這樣的生物物質(zhì)對 X 射線的吸收率很低，該團(tuán)隊有可能洗掉他們對成像感興趣的材料?！盀橐环N樣本解決這個問題——比如根尖——是一回事，"Topp 解釋說，“ 但這篇論文的想法是讓研究各種相關(guān)植物組織和物種的植物科學(xué)家能夠使用這些方法。我們希望將 3D XRM 廣泛應(yīng)用于地上和地下的植物系統(tǒng)。"因此，他們發(fā)布的方法大大提高了植物物種的數(shù)量和可以以近乎的分辨率成像的植物組織類型。

Keith Duncan 繼續(xù) Topp Lab 與 Valent Biosciences 和住友化學(xué)的合作，專注于提高 3D XRM 能力。他經(jīng)常與丹佛斯中心高級生物成像實驗室主任 Kirk Czymmek 博士合作，他也是該論文的作者。

接下來是對土壤中真菌網(wǎng)絡(luò)的 3D 結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。該工作的一部分包括改進(jìn)機器學(xué)習(xí)方法，例如訓(xùn)練計算機識別圖像中的根、土壤或孢子（真菌的生殖細(xì)胞）。他們的工作將繼續(xù)開發(fā)新的技術(shù)方法，以提高我們對從微觀到可見的“整個植物"的多尺度理解。