英石。密苏里州路易斯市，2021 年 12 月 7 日 –测量植物表型是一个用来描述生物体可观察特征的术语，是研究和改良具有重要经济意义的作物的一个关键方面。育种过程的核心表型包括玉米粒数、小麦种子大小或葡萄果实颜色等特征。这些特征是肉眼可见的，但实际上是由植物中的微观分子和细胞过程驱动的。使用三维 (3D) 成像是植物生物学领域的一项最新创新，可在“整株植物”尺度上捕获表型：从根中的微小细胞和细胞器，到叶子和花朵。然而，当前的 3D 成像过程受到耗时的样品制备和成像深度的限制，通常只能到达植物组织内的几层细胞。领导的新研究唐纳德丹佛斯植物科学中心助理成员克里斯托弗托普博士和他实验室的研究科学家基思邓肯开创了 X 射线显微镜技术，以细胞分辨率在前所未有的深度对植物细胞、整个组织甚至器官进行成像.这项工作得到 Valent BioSciences LLC 和住友化学公司的支持，最近发表在科学杂志《植物生理学》上，题为X 射线显微镜能够对植物细胞、组织和器官进行多尺度高分辨率 3D 成像。这项工作将使全球植物科学家能够以革命性的清晰度研究地上和地下特征。
“这篇论文侧重于多尺度，”通讯作者克里斯托普说，“因为植物是多尺度的。玉米穗最初是一组称为分生组织的微观细胞。分生组织细胞最终将通过分裂和生长形成玉米植株的所有可见部分。”他们改进的 3D X 射线显微镜 (XRM) 技术使研究人员能够将植物的发育微观结构(例如分生组织细胞)与成熟时的可见特征(例如叶子和花朵)联系起来。换句话说，3D XRM 提供了整个植物器官和组织的细胞级分辨率。
此外，他们的 XRM 方法还可以以出色的分辨率对地下结构进行成像，包括根、真菌和其他微生物。“植物根系驱动着许多重要的生物过程;它们以土壤中的微生物为食，作为回报，植物获得磷和氮，”Topp 解释说。“我们知道根和微生物之间的相互作用很重要，因为在我们发明化肥之前，它是磷和氮的主要来源。”我们在标准农业实践中对化肥的依赖反过来又对全球气候变化做出了重大贡献。“在过去的 100 年里，所有生物可利用的氮中有一半是在工厂生产的，”托普继续说道。“据估计，这一过程每年会使用地球上所有可用能源的 3%，并产生地球上 3% 的温室气体排放。”因此，可持续农业运动的一个关键组成部分包括减少化学投入，并促进根系与地下微生物之间的自然相互作用。“直到最近，我们才拥有了解这些相互作用的工具，”Topp 说。“3D XRM 可以帮助释放在我们的农业系统中重新建立这些自然联盟的潜力。”
与植物生物学中的其他成像方法相比，3D XRM 方法是独一无二的，因为它能够产生基本完美的植物结构 3D 清晰度。其他常见的方法，例如基于光子的断层扫描，受到浅成像深度的限制，并在选定的少数植物物种中进行了优化。相比之下，通过使用 3D XRM，由 Topp 和 Duncan 领导的团队能够对包括玉米、谷子、大豆、画眉草在内的一系列具有重要经济意义的作物的“厚组织”进行成像，这些组织对典型的光学方法不适用，和葡萄。“这篇论文首次展示了 3D XRM 的功能范围，”Topp 指出。
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