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植物计算机断层扫描表型成像系统

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、植物表型研究进展也十分迅速。

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在Frauhofer EZRT研究人员对植物进行表型成像

在设备开发领域,德国Frauhofer研究院毫无疑问处于执牛耳的位置,专门成立的植物表型研究团队开发了系列适用植物科学研究的计算机断层扫描系统,如便携式计算机扫描系统,台式高精度计算机断层扫描系统以及落地式大成像面积计算机断层扫描系统以及高通量根系表型断层扫描系统。

Frauhofer显微CT扫描系统采用微焦点X射线成像原理进行超高分辨率三维成像,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。

Frauhofer研究院是世界最知名的应用技术研究院,很多工业技术都源自于该研究所。Frauhofer专门成立的植物表型CT研究组致力于CT技术应用在植物的表型研究上。与传统医学CT不同,植物CT研究需要独特算法和软件等。Frauhofer研究院在该研究领域位于世界最前沿。

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、精确对其进行分析,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,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。在该领域很多方法还很新颖,有待于进一步应用,研究人员仅对方法学进行了简述。 随着X光CT断层扫描技术快速进步和使用,产生了海量根结构数据,需要及时对现有以及潜在数据分析的定量以及计算方法进行回顾。

在世界气候变化条件下,感知传感系统如何提升植物培育过程?多种植物,如土豆、小麦、水稻或木薯挣扎着适应气候变化。要对气候变化做出恰当应对,我们对不同植物品种对环境的反应做了分析。众所周知的表型是一种可鉴别出即便在高温条件下也能提供足量产量植物的方法。

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 X-光技术帮助我们投射土壤内部:土豆块茎在高速生长期

什么是表型,无损检测如何与之相关?

分析植物品种时,在田间进行视觉检测是优选。但该方法有主观性,很难应用于大面积开阔区域。这就是为何我们尽可能采用了三维无损监测系统来综合、客观、精确、无害的方式来对植物进行调查的原因。 在无损检测帮助下,系统可记录植物的特征、如尺寸、直径、果实重量或颜色。通过电、声、光学或X光方法实现。

认知感觉系统如何改善植物表型过程?

当前,借鉴汽车工业理念,人们设计了多个调查和检测标准。但因植物具有生物多样性,与进入汽车工业检测的样品有着根本的差异,需要使用完全不同的记录参数和评估算法。例如,需要检测的汽车组件几乎按照完全一样的方式构建,但小麦麦穗可能包含二、三十个麦粒。利用现有方法无法解决该问题。 

感知传感系统优势非常明显:利用自学习方法,处理记录图像的计算机可自动调整适应随后程序中的生物多样性,与传统图像处理算法相比,可获得更佳分析结果。也意味着数据采集以及所有后续处理步骤将自动调整,以适应相关植物和相关任务。

感知传感系统杂在未来如何助力表型研究?

问题老生常谈,但结果很客观。用标准方法很难生成客观检测结果。这是为何多数培育者依赖单个专家主观知识的原因。未来,感官认证系统可将必要工具直接推送到培育者手里,加速传统植物培育过程。将感知传感系统应用于植物表型研究使我们获得了记录和调查整体生物多样性和变异性的机会。

德国Frauhofer研究院专门针对植物研究开发的计算机断层扫描系统有如下特点

无损监测系统可适用于不同植物;Frauhofer系统可快速有效扫描全植株;借助温室以及数个环境箱,我们可模拟真实环境条件植物地下部分,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。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。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。因而Frauhofer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。开发的软件可自动鉴别果实和根部结构的纵横比以及植物器官的重量。软件可提供一段时间的柱状图,显示植物如何进行地下生长发育。 

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X光可帮助我们看到地下情形。上图是在不同发育阶段的土豆

 

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3D计算机断层扫描原理

3D断层扫描(CT)可生成诸多方向的多个X光图像(投影)。与医学CT扫描不一样,工业CT系统扫描的目标经常会安装在旋转桌面,位于X光射线管和检测器之间。目标绕其轴旋转同时,记录下投影。

Frauhofer表型三维成像植物断层扫描CT 

主要功能:植物种子三维结构研究,无损探索种子腔体、胚和胚乳的变化;果实内部结构变化;植物茎秆等剖面结构和三维结构;原位研究土壤中根系的三维形态结构;支持定制化开发测量参数。 

便携式植物断层扫描仪

广泛应用于对植物种子、小型果实内部结构变化的研究。可以无损地探索不同植物种子腔体、胚和胚乳的变化,测量种子内部的三维结构和小型果实的内部变化,设备小巧便携,操作简单,具有中分辨率和高分辨率两种选择。

实验室植物断层扫描仪

广泛应用于植物对植物根系、茎杆的内部结构变化的研究。可以无损地探索盆栽中不同植物的根系变化,也可以测量茎杆等植物器官的 3D 结构。 

高通量植物表型成像计算断层扫描仪 

配备自动传送装置,植物到达成像室后能够360°旋转成像,适合大批量植物样品CT成像实验,并且能够连续观察植物样品的动态变化。适用于研究植物根系和茎杆,分析软件自动将盆栽中的土壤和根系分离,屏蔽土壤干扰;自动传送样品,高通量操作;可360°旋转拍摄样品;同步图像采集及3D重建;设备自带X光屏蔽层,安全可靠;可根据样品大小定制化不同系统。

植物计算机断层扫描成像系统在根系研究中的应用

随着植物根系相关研究的逐步深入,现有的植物、作物根系观测方法在实现无损、原位、完整、高精度等方面已经不能满足研究的需求,迫切需要更好更精确的观测方法。CT技术的不断发展,为植物根系实现无损、完整、原位、高精度的观测提供了重要的技术手段。针对原位植物根系3D观测方法面临的技术难题,Frauhofer研究院在Stefan博士的带领下,基于X-CT技术的原位根系三维可视化系统这一目标,开发出了系列植物研究CT断层扫描仪,走在了研究的最前沿。Frauhofer研究工作主要集中在基于XCT技术的原位根系断层序列图像专用采集装置的选型设计、原位根系CT图像重建仿真与分析、原位根系CT序列图像的分割算法研究以及植物根系可视化系统的构建等进行了深入研究并发表了多篇论文。目前Frauhofer开发出的计算断层系统广泛应用在植物表型研究和环境研究领域。植物根系在根际植物-土壤-微生物互作中扮演了重要角色。X光计算机断层扫描技术(XCT)已证实为一种有效、无损根系成像和分析方法。组合XCT、开源软件以及室内代码可用于无损对草原鼠尾粟属(Sporobolus heterolepis)样品分析,切割根系数据获取根系的3D结构并从3D数据提取定量信息。除了开源信息,德国Frauhofer专门开发了针对植物表型研究的CT软件,可用于植物种子、茎秆、果实、根系成像。基于高分辨结构根结构,使用孔隙计算流体动力学 (CFD)模拟方法来对根系-土壤-地下水系统进行数字调查。研究显示,植物根系导率、土壤渗透系数以及蒸腾率控制了地面水的分布。组合图像-建模方法展示了一种可行的调查根际流动过程的平台,可用于提供与升级模型相关的有用数据。

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利用CT计算机断层扫描技术对作物根系进行无损的快速表型分析,此项研究有助于克服分割瓶颈,并可被视为向高通量根表型研究迈进了新的一步,从而促进科学和育种所期望达到的适当样本量。计算机断层扫描(CT)已经成为根系表型检测的有力工具。相比于传统的、破坏性的方法,CT包含了各种优点。在盆栽实验中,同样的个体根的生长和发展会随着时间的推移而变化,此外,可以研究与真实田地土壤基质相互作用的3D根系结构(RSA)的未改变的构型。要将CT更广泛地应用于基础研究或育种程序,通量是极其必要的,但是它受到快速和标准化分割方法提取根结构瓶颈的困扰。使用可用的方法,根系分割在很大程度上可以通过手动完成,因为它需要大量的交互式参数优化和解释,因此需要大量时间。

基于市面上售卖的商业软件,此项实验研究提出了一种比现有分割方法更快,更标准和更通用的协议,特别是用于分析从原位收集的现场样品。就作者目前的研究,他坦言,这是第一个研究开发出的一种全面的分割方法,适用于在原位取样比较大的柱状区域,包含了生长在未受干扰的田地土壤中多个植物,不一定连接的根系样本。

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分割步骤

草-豆科混合物样品的原始X射线CT体积,显示出根,充气孔和土壤(a)。步骤一:土壤的高级表面测定。土壤团聚体周围的表面显示为蓝色线(b)。步骤二:扩大感兴趣区域(ROI),这里为1个体素,以添加混合体素。膨胀表面的轮廓显示为亮蓝色线(c)。步骤三:从包含整个体积的ROI中减去扩大的ROI。只有根和孔保留在所得体积(d)中。步骤四:检测根表面(如蓝线所示)(e)。步骤五:将包含根和剩余噪声(f)的体积导出到MatLab中并在其中过滤。将所得的仅含根的过滤体积显示在(g)中。直方图中显示的空气,混合体素,根和矿物的灰度值的峰值未完全分离(h)。

对来自若干进行原位取样的作物的根系,用所提出的方法测定的CT体积与洗涤过的根样品的根干重进行比较,发现高显着度(P<0.01)和强相关性(R^2=0.84),证明了提出的方法在田地研究中的价值。在分割之后,已经使用了用于测量根厚度分布的方法。根厚度是各种生理研究问题的核心RSA性状,例如在压实土壤中或在缺氧土壤条件下根的生长,但是由于缺乏可用的协议,就算在如今的高通量表型研究中也难以评估。

而结合此项研究提出的协议,运用指定的软件,将为作物表型分析领域中以后将要进行的大量研究带来显著的进展。

计算机断层扫描系统在植物茎秆成像中的应用

饲料和生物能源高粱的茎杆性质是影响站立性和汁液产量的主要原因。常规上对其性状进行表型研究通量较低,受到缺乏同时采集形态学和解剖学茎干性质高通量表型平台的限。CT计算机断层扫描系统提供了一个潜在的解决方案,在植物中使用该技术以有限通量评估了有限数量基因型。我们建议可使用Frauhofer研究院开发的落地式计算机断层扫描系统来研究。可针对该材料开可操作的适合高通量表型图像形态、解剖学性状的方法。

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植物计算机断层扫描系统对植物叶片微结构进行成像的应用

叶片细胞结构是限制碳同化的重要限制元素,因而限制光合作用。但由于植物组织密度低、结构精细、易于脱水,对其定量是一个挑战。在显微镜2D切片检测之前的经典的显微镜组织固定以及包埋方法耗时耗力,其它杂物会影响获取价值。相关研究人员利用了一种微型计算机断层扫描((microCT)图像分析方法,可对植物叶片细胞空气间隙进行定量描述。研究结果表明,在一系列植物品种中(包括单子叶和双子叶植物),可成功实现叶片细胞间气体空间可视化以及差异定量,并与标准2D叶片切片分析方法做了比较。

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研究人员利用microCT图像估算三种双子叶植物(拟南芥、西红柿、豌豆)以及三种单子叶植物(大麦、燕麦、水稻)叶片孔隙以及叶肉暴露表面积(Smes) 。图像处理流程包括:(1) 遮挡操作去除叶片周围气体空间背景;(2) 利用图像算法进行自动阈值切割;(3) 利用图像软件提取孔隙进行定量。在双子叶植物里,拟南芥具有最大孔隙以及最小Smes,草品种中,大麦具有最大孔隙以及最高Smes 。将3D计算机断层扫描获取的孔隙以及Smes与2D切片进行对比,结果表明2种方法在期刊估算上具有可比性,但2D方法可能低估了Smes达50%。对孔隙的深度研究显示在分析品种间的气体空间的不对称分布的相同和异同点。

研究结果显示,利用高分辨率计算机断层扫描技术可对细胞间气体空间网络进行成像,提供叶片细胞间结构的定量描述信息。结果显示,不同品种的孔隙以及Smes差别较大,这些参数之间并不存在简单的关系,从而揭示细胞尺寸、形状、堆积在决定细胞参数上的重要性,这些因素影响了叶片光合性能。

植物CT在植物细胞的组织结构特征测量的应用

在植物细胞分化的进程中,差异化的组织形成是植物营养器官与生殖器官的基础。组织在本质上就是细胞群,整个群体具有相同的生理机能,形态结构统一。依据不同的功能与结构,细胞组织被划分为不同的组织类型。对于植物组织而言,其出现代表了植物进化层次的升高。立足整个植物系统的发育,多细胞植物的出现为组织的形成奠定坚实的基础。在多细胞群体型植物进化到多细胞机体的过程中,鉴于其所处位置的差异,环境影响十分关键,能够诱发细胞群之间形态以及生理功能的分化。也就是说,组织是植物适应环境生长的必然,其发展完善与环境息息相关。植物进化层次越高,细胞群之间的分工就愈加细致,复杂的结构代表较强的适应性。源于不同性质来源的分生组织,对于分生组织细胞而言,其突出特征是分裂能力较强,处于植物生长的关键位置。在植物生长过程中,根部与茎部的顶 端之所以能够生长,并逐渐增大,与分生组织的自身运行有着 不可分割的关系。

分生组织的类型

依据分生组织来源渠道的不同,主要划分为三个类型,即原分生组织、初生分生组织以及次生分生组织。具体讲,首先,原分生组织通常处于植物根部、茎生长锥的顶部位置,是胚直接的遗留产物。原分生组织细胞具有突出的分裂能力,通常细胞体积不大,细胞核较大,具有浓厚的细胞质,呈现多面体形状。其次,对于初生分生组织,其产生与原分生组织息息相关,由其分裂而成。这一组织的细胞已经开始步入分化阶段,同时,分裂能力仍继续存在,但是,分裂能力逐渐减弱。对于次生分生组织,薄壁细胞是其主要构成因素,在生理与结构发生变化之后,再次具备分裂能力。这一组织的形成与发展与植物根茎功能具有重要关联。根据分生组织的所处位置,又可以被划分为顶端、侧生以及居间分生组织。顶端分生组织通常处于植物根茎顶端,在本质上讲,就是顶端的生长锥;侧生分生组织处于侧部位置,是由形成层与木栓形成层组成。这一分生组织直接关乎植物活动,与根茎加粗生长关系紧密。单子叶植物因为缺少加粗生长,因此,不具备侧生分生组织,居间分生组织的位置为成熟组织,在种子植物中不具有普遍性。但是,在乔本科植物中的节间基部存在居间分生组织,同时,韭菜叶的基部位置也存在分生组织,与植物生长及活动不可分割。

基本组织在整个植物体内含量最高,分布在植物营养器官的根部、茎部、叶部。另外,也是生殖器官花、果实以及种子的组成结构。这种组织的核心为薄壁细胞,别称为薄壁组织。具体讲,基本组织可以划分为多种,如吸收组织,承担吸收责任;同化组织,负责同化功能;贮藏组织,进行物质的存储;通气组织,实施通气操作;传递细胞,完成物质间的交换,这一组织也可以叫做营养型组织。根的表皮不属于保护组织的范畴并不是所有表皮都是保护组织,其中,根的表皮就不是,只是负责吸水的吸收组织。对于根尖位置的表皮,其外壁呈现凸起状态,构成根毛,根毛细胞壁的组成要素为纤维素,角质层较薄,水分能够通过细胞壁达到细胞。根毛的寿命一般维持在几天到几星期,在枯萎之后,薄壁细胞就会出现栓质化现象,具有保护作用。负责植物体内水分与物质运输的输导组织输导组织的功能是负责植物体内水分以及物质的运输。细胞形状为长管型,细胞间存在相互关联,同时,协调关系各异。以运输物质为分类标准,输导组织可以划分为两类,一类是导管,主要负责水分以及能够溶解于水中的矿物质的运输;另一类是筛管,主要运输有机营养物质。支撑植物体的机械组织植物体内机械组织,主要是强化对植物体的支撑作用。细胞形状为细长,具备加厚的细胞壁,主要分为厚壁组织与厚角组织两种。厚角组织细胞属于生活型的细胞,存在于细胞壁细胞角隅位置,呈现较厚状态,也是厚角细胞。其主要构成为纤维素,壁的硬度较弱,但是弹性突出。这种组织广泛分布于幼茎之中,对器官生长不会产生影响。

植物计算机断层扫描系统对种子结构进行成像的应用

便携式:应用于对植物种子、小型果实内部结构变化的研究。可以无损地探索不同植物种子腔体、胚和胚乳的变化,测量种子内部的三维结构和小型果实的内部变化,设备小巧便携,操作简单,具有中分辨率和高分辨率两种选择。

自动化:计算机断层扫描技术可用于种子质量控制以及种子检测标准确立,该系统能检测细微的内部结构(种皮、外壳、胚芽、空腔)。

对每一粒种子检测,都需要复杂的处理流程。检测的目的是为了保证其不变高品质。尽管有各种实验方法可以选择,但是在种子检测方面,X射线仍是比较可靠的方法,通过影响处理系统,CT设备可监测到每一粒种子。自2003年起,Frauhofer EZRT开始了种子CT断层扫描系统的研究,近年来,对植物材料的研究已经从种子扩展到植物根、茎、果实等领域,走在CT植物表型研究的最前列。其中一款自动化系统,种子无需单独分开,软件可将每粒种子从混合种子中分离,从而简化了样品制备,能在一次实验中实现大量种子检测。此外,也可实现自动机械臂取料,托盘内科放置多个小盒。操作界面简单,校准或系统射线管温度控制均为独立。该设备可实现对种子内部结构的稳定、清晰成像,几何分辨率约为50um。

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计算机断层扫描技术检测树种子生活力

为了探讨能够快速、准确和无损检测大粒林木种子生活力的方法,可利用计算机断层扫描(CT)检测树种子生活力。用计算机断层扫描(CT)技术检测树种子生活力是可行的,其检测结果与四唑测定的结果相当,但计算机断层扫描(CT)技术具有不损伤种子的优点,另外该技术还可以形成种子的三维立体成像,显示各部位的机构,比如胚、胚根以及胚乳等表型形态信息。德国Frauhofer研究院的CT分辨率可达2um,完全可以对种子的极其细微的结构进行研究,对种质资源入库种子检测来说,比传统的x光射线法有巨大的优势。

计算断层扫描系统CT研究微结构对炸薯条吸水性的影响

利用计算机断层扫描系统可对新型食物产品进行断层扫描,了解加工过程对其的的影响。研究评估了3种类型的炸薯条的微观结构以及水吸收力,用以了解不同处理过程如何影响其结构,纹理以及货架时间。孔隙结构利用毛细管技术以及计算机断层扫描系统进行研究。   

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Frauhofer开发的商业化植物表型研究CT断层扫描系统走在世界最前列,其CT断层扫描系统包括便携式计算机断层扫描系统、台式高精度CT断层扫描系统、落地式CT断层扫描系统以及高通量植物根系断层扫描系统。北京博普特科技有限公司是Frauhofer研究院系统断层扫描系统中国区总代理,全面负责其系列产品在中国的市场推广、销售和售后服务。

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