近年來(lái)，隨著(zhù)前沿生物技術(shù)的發(fā)展和精密儀器的引入，農業(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(xiàn)成像為原理，為研究人員提供了一種強大的工具，能夠深入探究農作物、植物和土壤的微觀(guān)世界，為農業(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(xiàn)照射樣品，通過(guò)探測器記錄透射的 X 射線(xiàn)強度分布，再利用計算機算法重構出樣品的三維內部結構。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 結構示意圖：射線(xiàn)源和探測器不動(dòng)，樣品臺旋轉

顯微 CT 技術(shù)可以無(wú)損地提供詳細的材料內部信息，包括：

1結構信息：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在農業(yè)領(lǐng)域中的應用 

（1）植物內部結構分析

顯微CT 技術(shù)能夠無(wú)損地獲取植物內部結構的高分辨率三維圖像，這對于研究植物的莖稈維管束、葉片結構、果實(shí)和種子內部結構等具有重要意義。通過(guò)顯微CT 技術(shù)，研究人員可以詳細觀(guān)察植物內部結構的微觀(guān)特征，從而更好地理解植物的生長(cháng)、發(fā)育和適應性。

• 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)和結構特征，為作物的遺傳解析、抗倒伏性評估、高通量表型數據獲取以及數據庫構建等方面提供了強有力的工具。

• 作物種子內部結構分析

顯微 CT 技術(shù)允許對種子進(jìn)行無(wú)損檢測，可以探索種子內部種皮、胚芽、胚乳等，并進(jìn)行體積分析，幫助評估種子的萌發(fā)潛力、出芽率和質(zhì)量。

使用顯微CT 技術(shù)預測番茄種子的萌芽潛力，發(fā)芽測試結果示例：正常幼苗、異常幼苗、死亡種子、未發(fā)芽種子。圖片源于文獻【2】。

A）嚴重變形的胚胎，B) 輕微變形的胚胎，C) 嚴重縮小的胚乳，D) 側向彎曲的子葉，即垂直方向 種子橫切面，E）反折子葉，即種子內的一個(gè)或兩個(gè)子葉急劇反折，F）胚乳中的孔，G）子葉中的裂縫，N）正常種子結構。圖片源于文獻【2】。

（2）土壤結構及植物根系結構分析

• 土壤結構研究

土壤團聚體微結構對土壤的物理、化學(xué)和生物特性有顯著(zhù)影響。顯微CT 技術(shù)可以用于掃描土壤樣品，獲取土壤團聚體的三維圖像，進(jìn)而分析土壤孔隙度、孔隙分布、團聚體穩定性等特性。這對于評估土壤質(zhì)量、指導土壤管理和改良措施具有重要價(jià)值。

（A）非飽和多孔土壤團聚體的 X 射線(xiàn)計算機斷層掃描（X 射線(xiàn) CT）切面、飽和孔隙和非飽和孔隙以及頸部區域；（B）帶根土壤的顯微計算機斷層掃描重建切面；（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(xiàn) CT 表征土壤團聚體；（E）在體積密度為 1.3 g cm-3 的土壤微生態(tài)系統薄切片中 DAPI 染色的熒光假單胞菌細胞（亮藍色）。圖片源于文獻【3】。

• 植物根系結構研究

根系是植物的重要器官，用于從土壤中吸收水分和養分。為了有效地吸收水分和養分，植物發(fā)展了不同形態(tài)和功能的根系，如主根和側根以及根毛。這些不同根系類(lèi)型在土壤中的空間分布被稱(chēng)為根系結構（RSA）。

顯微 CT 技術(shù)可以深入研究植物根系結構、生長(cháng)狀態(tài)和吸收養分的情況。通過(guò)高分辨率的三維圖像，科研人員可以觀(guān)察到根系的分支、長(cháng)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(cháng)狀況，為優(yōu)化農業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據。

利用顯微CT 技術(shù)實(shí)現水稻根系結構的高通量三維可視化：(a) X 射線(xiàn) 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，圖像上方的數字表示核大小，圖像上的數字表示對比度與噪聲比。最左側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邊緣檢測的影響。圖像上方的數字表示內核大小，箭頭表示有代表性的樹(shù)根片段，使用內核大小 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【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地分析作物內部結構和表型特征。它為作物遺傳改良、功能基因研究、品質(zhì)評價(jià)以及抗性機制研究提供了一種新的研究手段。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和應用的深入，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域代表稻米堊白的位置。圖片源于文獻【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)現了稻谷的全營(yíng)養保留。其米糠層富含膳食纖維，約占據營(yíng)養成分的 5%。糙米比較難煮熟，口感相對較差，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，只占據營(yíng)養成分的 5%，相對易熟，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(guān)察植物內部的病蟲(chóng)害情況，如昆蟲(chóng)在植物體內的取食痕跡、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)在農業(yè)領(lǐng)域的應用為農業(yè)科研和生產(chǎn)提供了全新的手段，通過(guò)對微觀(guān)結構的高精度觀(guān)測，為優(yōu)化農業(yè)生產(chǎn)、改善土壤管理和提高農產(chǎn)品質(zhì)量提供了重要的數據支持。未來(lái)隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，顯微CT 技術(shù)在農業(yè)領(lǐng)域的應用前景將更加廣闊。 

參考文獻

【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).