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農(nóng)業(yè)科學的發(fā)展依賴于高效、精準的檢測技術(shù)，以優(yōu)化作物生長環(huán)境、提高種子質(zhì)量、改良農(nóng)作物品種。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)檢測方法，如光學顯微鏡、石蠟切片、激光共聚焦顯微鏡等，往往局限于二維成像，且檢測過程耗時費力，難以全面呈現(xiàn)作物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

顯微CT（Micro-CT）技術(shù)作為一種高分辨率、非破壞性的三維成像手段，在農(nóng)業(yè)研究中展現(xiàn)出巨大的潛力。該技術(shù)利用 X 射線穿透樣品并獲取各個角度的投影數(shù)據(jù)，通過計算機重建獲得三維結(jié)構(gòu)信息，為作物內(nèi)部結(jié)構(gòu)、種子質(zhì)量檢測、根系研究、害蟲檢測等提供了分析能力。

Chapter.1  為什么農(nóng)業(yè)研究需要顯微CT？

01  顯微CT的基本原理

顯微 CT 技術(shù)的核心是 X 射線斷層掃描成像，它通過以下幾個步驟獲取三維結(jié)構(gòu)信息：

• X 射線投射：X 射線穿透樣品并被不同密度的組織吸收，形成不同的衰減信息。

• 多角度掃描：樣品在旋轉(zhuǎn)臺上進行 360° 旋轉(zhuǎn)，采集多個角度的投影圖像。

• 圖像重建：利用數(shù)學算法（如濾波反投影法、代數(shù)重建法）將二維投影數(shù)據(jù)計算為三維體數(shù)據(jù)。

• 三維可視化：生成高分辨率的三維圖像，可進行體積、密度、孔隙率等定量分析。

02  顯微CT的技術(shù)優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)檢測手段，顯微 CT 技術(shù)具備以下優(yōu)勢：

• 無損檢測：可在不破壞樣品的前提下獲取內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，避免樣品處理過程中可能產(chǎn)生的誤差。

• 高分辨率成像：可達到微米級甚至納米級分辨率，能夠識別種子胚胎、根系分布等精細結(jié)構(gòu)。

• 多層次信息獲取：

  1.結(jié)構(gòu)信息：植物的莖稈維管束、葉片結(jié)構(gòu)、果實和種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)等

  2.密度信息：作物內(nèi)部的密度信息，用于評估種子質(zhì)量

  3.三維模型：有限元分析、3D打印等

Chapter.2  顯微CT在農(nóng)業(yè)研究中的應用

應用一  作物內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

顯微 CT 技術(shù)能夠無損地獲取植物內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、果實和種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)等具有重要意義。通過顯微 CT 技術(shù)，研究人員可以詳細觀察植物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微觀特征，從而更好地理解植物的生長、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(jié)構(gòu)特征，為作物的遺傳解析、抗倒伏性評估、高通量表型數(shù)據(jù)獲取以及數(shù)據(jù)庫構(gòu)建等方面提供了強有力的工具。使用 Neoscan N80 高分辨顯微 CT 以 5μm 像素大小提取玉米維管束網(wǎng)絡， 獲取三維模型，模擬水分運輸和力學支撐。

使用 Neoscan N80 高分辨顯微 CT 以 1.5μm 像素大小掃描花藥，內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰可見。

應用二  種子質(zhì)量檢測與篩選

01  水稻種子堊白率檢測

水稻種子的堊白現(xiàn)象（指胚乳部分出現(xiàn)白色不透明區(qū)域）會影響大米的品質(zhì)及口感。文獻【1】研究表明，顯微 CT 可對水稻種子進行三維掃描，計算堊白率和種子顆粒尺寸，從而提高水稻育種效率。

圖片源于文獻【1】。稻米堊白的形狀和位置。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【1】。利用微型CT三維重建結(jié)合Chalkines2.0軟件自動計算堊白率和稻米粒徑。a在Chalkiness 2.0軟件中導入珍汕97B精米的掃描圖像，對稻米顆粒和堊白度進行自動區(qū)域化；b自動計算堊白度相關參數(shù)，并將測試報告導出到Excel格式文件中；c基于顯微CT三維重建結(jié)合Chalkines 2.0軟件自動計算堊白率的圖形概述。d重建最大截面附近的20個截面，并生成平面圖像；e將平面圖像導入Chalkines 2.0進行粒度評估；f將定量結(jié)果導出到Excel文件中。這些值表示相對長度和寬度。

02  大米內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

使用 Neoscan N80 高分辨顯微 CT 以 1.2μm 像素大小掃描大米，內(nèi)部胚、胚芽、胚根、胚心、胚乳、盾片、谷殼等結(jié)構(gòu)清晰可見。一次掃描多相數(shù)據(jù)，內(nèi)部細節(jié)盡收眼底。

03  玉米種子機械損傷評估

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和物流運輸過程中，種子容易受到機械損傷。顯微 CT 可用于評估機械損傷、昆蟲造成的損傷、胚異常以及由生物、非生物制劑引起的種子的其他形態(tài)變化。研究表明，受到損傷的種子，其發(fā)芽率和生長質(zhì)量明顯下降【2】。

圖片源于文獻【2】。通過顯微 CT 掃描玉米種子，機械損傷的種子產(chǎn)生的幼苗長度比未損傷種子平均短 24%，干物質(zhì)量比未損傷種子低 65%。研究發(fā)現(xiàn)。胚乳冠狀面受損面積 與 苗長短 和 干物質(zhì)量 直接相關。

使用 NEOSCAN 高分辨率顯微CT 以 8μm 像素大小掃描干燥玉米粒，可清晰展示玉米種子內(nèi)部子葉、胚芽、胚軸、胚根、 胚乳、種皮結(jié)構(gòu)，幫助評估種子質(zhì)量。

04  番茄種子萌發(fā)能力預測

利用顯微 CT 技術(shù)可以分析番茄種子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如胚乳、胚根及孔隙分布，可用于預測其發(fā)芽率和生長能力。研究表明，種子內(nèi)部孔隙率較高（自由空間增加）通常與較低的萌發(fā)率相關【3】。

圖片源于文獻【3】。圖片展示了如何通過3D形態(tài)學來預測番茄種子的發(fā)芽潛力以及不同發(fā)芽狀態(tài)的種子圖像。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(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)的一個或兩個子葉急劇反折，F(xiàn)）胚乳中的孔，G）子葉中的裂縫，N）正常種子結(jié)構(gòu)。發(fā)芽測試結(jié)果示例：正常幼苗、異常幼苗、死亡種子、未發(fā)芽種子。

使用 Neoscan N80 高分辨顯微CT以 1.8μm 像素大小掃描番茄種子表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，二維和三維結(jié)構(gòu)參數(shù)可測量，表皮、胚、胚乳、內(nèi)部孔隙裂縫的體積分數(shù)可計算并能通過體繪制直觀展示。

應用三  植物根系結(jié)構(gòu)分析：無需洗根，原位表征

植物根系是植物獲得水分和養(yǎng)分的主要機制。通過表征根系，人們可以了解植物表型，以幫助培育具有更有效水分和養(yǎng)分捕獲的植物。傳統(tǒng)的根系表征可能很繁瑣，包括需要從土壤中挖取植物，并清洗根系。而顯微 CT 技術(shù)來表征根系結(jié)構(gòu)，無需進行清洗，可以進行原位表征根系結(jié)構(gòu)。

使用 Neoscan N80 高分辨顯微 CT 以 20μm 像素大小掃描水稻根系，分析根系的分布、直徑、分叉結(jié)構(gòu)及體積密度，幫助育種專家篩選高效吸水和耐旱品種。

圖片源于文獻【4】。(A) 番茄根木質(zhì)部結(jié)構(gòu)（紅色）的形態(tài)；可能會發(fā)生嚴重的栓塞，影響水的運輸。(B) 番茄葉柄中脈管系統(tǒng)的細胞結(jié)構(gòu)影響水分和葉子的同化通量。(C) 葉子結(jié)構(gòu)決定 CO2 和 H2O 的運輸。(D) 番茄種子結(jié)構(gòu)影響種子萌發(fā)。(E) 番茄細胞和細胞間隙的形狀和大小影響成熟過程中的呼吸氣體交換。對于每個圖 (A–E)，給出了原始 X 射線顯微 CT 橫截面以及渲染的 3D 圖像。

應用四  病蟲害防治

顯微 CT 技術(shù)可以幫助研究人員在不破壞樣品的情況下，用于檢測儲糧害蟲、果實內(nèi)部害蟲及植株內(nèi)寄生蟲的生長情況，幫助制定精準防治措施。

咖啡果小蠹是一種影響咖啡豆質(zhì)量的害蟲，使用 Neoscan N80 高分辨顯微 CT 以 980 nm像素大小掃描，可無損成像其生長位置、取食模式及侵害程度，為咖啡種植業(yè)提供有效的蟲害管理方案。

Chapter.3  總結(jié)與展望

顯微 CT 技術(shù)作為一種先進的三維成像技術(shù)，在農(nóng)業(yè)領域的應用前景廣闊。它為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、作物改良和植物科學研究提供了一種新的視角和方法。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，顯微 CT 技術(shù)將在農(nóng)業(yè)領域發(fā)揮越來越重要的作用。