利用高分辨率计算机断层扫描技术可视化植物维管系统的三维结构与功能

摘要

高分辨率X射线计算机断层扫描（HRCT）是一种非破坏性诊断成像技术，可用于三维研究植物维管系统结构与功能。我们展示了HRCT如何促进对多种植物组织和物种中木质部网络的探索。

摘要

高分辨率X射线计算机断层扫描（HRCT）是一种具有亚微米级分辨率能力的非破坏性诊断成像技术，目前正被用于三维（3D）评估植物木质部网络的结构与功能（e.g. Brodersen et al. 2010; 2011; 2012a,b）。HRCT成像基于与医学CT系统相同的原理，但高强度的同步辐射X射线源可实现更高的空间分辨率并缩短图像采集时间。本文详细展示了如何结合使用在美利坚合众国加利福尼亚州伯克利市劳伦斯伯克利国家实验室先进光源（Advanced Light Source-LBNL）进行的同步辐射HRCT，以及Avizo软件（VSG Inc.，伯灵顿，马萨诸塞州，美国），对离体组织和活体植物中的植物木质部进行研究。这一新型成像工具使研究人员能够突破传统静态二维光学或电子显微图像的局限，利用虚拟连续切片在任意平面上对样品进行研究。在同一标本上可生成任意方向的无限数量切片，而这一功能在传统显微镜方法中是无法实现的。

结果表明，高分辨率计算机断层扫描（HRCT）可应用于草本和木本植物物种，以及多种植物器官（即叶片、叶柄、茎、树干、根）。本文展示的图像有助于说明代表性植物维管系统解剖结构的多样性，以及从HRCT数据集中提取的细节类型，包括对海岸红杉（Sequoia sempervirens）、胡桃（Juglans spp.）、橡树（Quercus spp.）和枫树（Acer spp.）的幼苗，以及向日葵（Helianthus annuus）、葡萄藤（Vitis spp.）和蕨类植物（Pteridium aquilinum 和 Woodwardia fimbriata）的扫描结果。来自木本植物的离体干燥样品最容易扫描，通常也能获得最佳图像。然而，近年来的技术改进（即更快的扫描速度和样品稳定技术）使得该可视化技术也可用于绿色组织（例如叶柄）甚至活体植物。偶尔，含水的绿色植物组织会发生收缩，导致图像模糊，本文也描述了避免这些问题的方法。这些HRCT技术的最新进展为研究植物维管功能提供了令人期待的新视角。

引言

水分通过一种称为木质部的维管组织从植物根部运输到叶片——木质部是由相互连接的导管、纤维以及具有代谢活性的活细胞组成的网络结构。为了向叶片提供光合作用、生长乃至植物最终存活所需的水分和养分，必须维持植物木质部的运输功能。当木质部网络受到病原生物侵袭而受损时，木质部导管中的水分运输可能被中断。作为应对这类感染的机制，植物常产生凝胶、黏液和侵填体，以限制病原体的扩散（例如 McElrone 等，2008；2010）。干旱胁迫也会限制木质部中的水分运输。在长期干旱过程中，植物不断失水，导致木质部汁液中的张力增加。处于张力下的水处于亚稳态（即 当张力达到某一阈值时，足以使木质部导管内的水柱发生空穴化）。空穴化发生后，可能形成气泡（栓塞），并充满导管，从而有效阻断水分的移动（Tyree 和 Sperry，1989），这一现象类似于深海潜水员所患的减压病（即 “减压症”）。

尽管大量历史和现代文献已证明木质部水分运输对植物正常功能的重要性（Tyree & Zimmermann, 2002；Holbrook et al., 2005），但木质部网络的某些方面仍不明确。近年来，多个研究团队开始利用高分辨率X射线显微计算机断层扫描技术（HRCT）来评估木材解剖结构和维管组织的更精细细节（例如 Mayo 等人，2010，2008；Mannes et al. 2010；Brodersen

方案

以下所述的实验方案细节专为先进光源8.3.2光束线的工作而编写。在其他同步辐射设施上工作时，可能需要进行相应调整。使用这些设施前必须接受适当的安全培训和辐射防护培训。

1. 活体植物样品制备

1. 将植物种植在直径约10 cm的花盆中，并确保主茎（或待扫描的植物部分）尽可能居中并垂直于花盆中。先进光源（Advanced Light Source）处高分辨率计算机断层扫描（HRCT）仪器舱的物理尺寸限制了活体植物的高度约为1 m。因此，活体植物的成像最适合在小花盆中生长的幼苗/小树苗上进行。根据实验需求，可使用不同类型的土壤以控制土壤含水量（例如在干旱实验中）；对于一些茎秆较柔韧的植物（例如藤本植物），较长的茎可小心地卷入下文所述的丙烯酸管中（见图1和图2）。
2. 将带盆的活体植物固定在定制的刚性铝制花盆支架上。顶板高度可调节，以适应不同高度的花盆。顶板设计为与土壤表面齐平，植物从双片式顶板的中心伸出。花盆支架的作用是牢固固定植物茎秆，以最大限度减少振动或样品移动。在扫描过程中最大限度减少样品移动至关重要。
3. 将植物安装在支架上后，分别使用Scholander型压力室或夹式叶片气孔计测量茎水势或叶片蒸腾速率，以确定扫描前植物的生理状态。
4. 将一个薄壁丙烯酸圆筒罩在植物上方，并放置于铝....

结果

利用8.3.2光束线（图5），同步辐射高分辨率计算机断层扫描（HRCT）已成功应用于多种植物组织和物种，并以前所未有的三维分辨率揭示了植物木质部结构与功能的新见解。通过三维重建所提供的可视化与探索能力（如图6-8及影片1-3所示），可精确定位离体样品及活体植物中木质部网络内结构的位置与取向。

在某些情况下，样品移动或意外振动会导致最终图像出现畸变，从而使扫描结果无法使用例如 图4），但通过连续断层扫描缩短扫描时间的改进措施，已将此类数据丢失的不利影响降至最低，因为现在可在分配给每位用户的有限束流时间内完成更多扫描。更短的扫描时间还使得能够在一段时间内对同一个样本进行重复测量，从而捕捉到诸如栓塞扩散与修复等过程的动态变化。

讨论

同步辐射高分辨率计算机断层扫描（HRCT）为植物生物学家提供了一种强大且非破坏性的工具，可用于极其详细地探索植物维管系统内部的运作机制。该技术最近已被用于鉴定葡萄藤木质部中先前未被描述的解剖结构，这些结构在不同葡萄藤物种中差异性地改变了木质部网络的连通性（Brodersen et al. 2012b, in press）——这种连通性的变化会显著影响维管病原体和栓塞在木质部网络中的破坏性扩散能力。对活体植物的首次成功扫描还揭示了栓塞传播与修复等动态过程的精细尺度细节（Brodersen et al 2010；McElrone et al 2012，《新植物学家》196(3):661-665），并帮助确认了一类特定活细胞在栓塞修复中的作用——ALS 8.3.2线站HRCT所提供的空间分辨率使得这些发现成为可能。然而，关于这些过程及其他木质部网络特征的具体机制仍不明确——HRCT在未来的持续探索中可能发挥关键作用，特别是当其与其他高分辨率技术（例如激光捕获显微切割）结合使用时，也可与近年来开发的其他先进可视化技术联合应用于植物生物学研究（例如 Lee .......

材料

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