Name: 基于 X 射线 Microcomputed 层析成像的玉米血管束微米尺度分型技术研究 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-10-09T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 21 s
Description: 学习利用X射线显微CT扫描技术对玉米茎、叶、根等组织进行微米尺度表型分析的方法。该技术通过优化样本制备流程，有效提升维管束成像质量，实现高通量三维表型性状自动提取，为植物科学研究和作物育种提供精准可靠的表型鉴定工具。

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本研究得到国家自然科学基金（No.31671577）、北京市农林科学院科技创新专项建设项目资助计划（KJCX20180423）、中国研究发展计划（2016YFD0300605-01）、北京市自然科学基金（5174033）、北京市博士后研究基金（2016 ZZ-66）以及北京市农林科学院科研项目资助（KJCX20170404）、（JNKYT201604）的支持。

1. 样品制备方案
<ol>
	<li>取样时，从新鲜的玉米植株中采集茎、叶和根，并将其分为三类样品组（每组设四个重复）。然后使用手术刀将样品切成小段，具体操作如下：（1）截取长度为1–1.5 cm的茎中部节间段；（2）沿主脉方向，在叶片最宽处截取长度为0.5–3 cm的叶段；（3）截取长度为0.5 cm的冠根段。</li>
	<li>对于FAA固定，将样品片段浸入FAA溶液（90:5:5 v/v/v，70%乙醇:100%甲醛:100%乙酸）中，固定时间至少3 d。</li>
	<li>依次进行六步乙醇梯度脱水 procedure即30%、50%、70%、85%、95% 和 100%）梯度乙醇处理，每级处理时间为 30 分钟。</li>
	<li>将植物材料放入使用3D打印机制造的相应样品篮中，然后迅速将样品篮转移至CO₂2 临界点干燥系统。设置干燥参数如下： 
	(1)&#160;CO2 高速下：夹具填充率：100% 
	(2)&#160;电荷：CO2 电荷延迟 120 秒进入循环。交换速度：5。循环次数：12。 
	&#8203;(3)&#160;气体排出：加热，快速；速度：慢，50%
	<ol>
		<li>根据玉米根、茎、叶的形态差异，使用3D打印机设计并打印样品篮例如, 图1).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将干燥的植物材料（玉米根、茎或叶）放入50 mL离心管中，加入2 g固体碘，利用挥发的碘蒸气对植物材料进行染色，然后将离心管置于避光房间中4–5 h。</li>
</ol>
2. 微型计算机断层扫描（Micro-CT）扫描方案
<ol>
	<li>扫描原始CT数据时，将CT扫描参数设置如下：茎和叶为40 kV/250 µA，根为34 kV/210 µA。根据所用植物材料的不同尺寸和体积设置相应的扫描范围，并按以下参数调整成像像素大小：玉米根为2.0 µm，玉米茎为6.77 µm，玉米叶为10.0 µm。</li>
	<li>为重建切片图像，使用图像重建软件将原始CT数据转换为分辨率为2K（2,000 × 2,000像素）的CT切片图像。更多细节请参见NRecon用户手册（http://bruker-microct.com/next/NReconUserGuide.pdf）。</li>
</ol>
3. 玉米茎或叶单张CT图像的图像分析方案
注意：使用自动成像软件对玉米茎和叶的CT切片图像中的维管束进行表型分析（图2）。软件使用步骤如下所述。
<ol>
	<li>指定器官类型以初始化不同的算法流程。点击 方法参数 按钮，并在第一个下拉框中选择玉米茎或玉米叶。</li>
	<li>导入图像时，点击 数据管理 按钮，设置工作目录，并自动导入该目录下的所有切片图像。将单个或多个切片图像选入图像处理流程。</li>
	<li>确定图像的实际像素尺寸。点击 方法参数 按钮，在像素尺寸的编辑项中输入图像的实际像素大小。</li>
	<li>进行表型计算时，点击 表型计算 按钮，系统将自动提取所有选定切片图像中维管束的表型性状。</li>
	<li>点击 统计分析 按钮，以 TXT 或 CSV 文件格式输出结果。</li>
</ol>
4. 玉米根部CT图像序列的图像分析方案
注意：利用玉米根系的CT图像序列，通过图像处理软件提取中柱木质部导管的三维结构。主要步骤如下。
<ol>
	<li>导入玉米根系的重建图像（BMP 文件格式），并确定准确的间距参数（体素大小[即，x，y，z]。使用递归高斯工具对这些图像进行平滑处理，以提高图像质量。</li>
	<li>通过调整阈值参数对后生木质部导管进行三维分割，从而为每个连通的后生木质部导管生成统一的颜色标签。</li>
	<li>使用形态学、位运算和泛洪填充操作，交互式地优化并识别后生木质部导管。</li>
	<li>对血管进行体可视化和表面重建。使用掩膜统计工具在二维和三维层面上对血管的表型特征进行计数和测量。</li>
</ol>

<ol><li>Lucas, W. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+plant+vascular+system%3A+evolution%2C+development+and+functions%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Integrative+Plant+Biology%22%5BJournal%5D)">The plant vascular system: evolution, development and functions.</a> Journal of Integrative Plant Biology. 55, 294-388 (2013).</li>
<li>Gou, L., et al. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/296353164_Effects_of_population_density_on_stalk_lodging_resistant_mechanism_and_agronomic_characteristics_of_maize">Effect of population density on stalk lodging resistant mechanism and agronomic characteristics of maize.</a> Acta Agronomica Sinia. 33, 1688-1695 (2007).</li>
<li>Hu, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((QTL+mapping+of+stalk+bending+strength+in+a+recombinant+inbred+line+maize+population%5BTitle%5D)+AND+%22Theoretical+and+Applied+Genetics%22%5BJournal%5D)">QTL mapping of stalk bending strength in a recombinant inbred line maize population.</a> Theoretical and Applied Genetics. 126, 2257-2266 (2013).</li>
<li>Wilson, J. R., Mertens, D. R., Hatfield, R. D. <a target="_blank" href="https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/jsfa.2740630406">Isolates of cell types from sorghum stems: Digestion, cell wall and anatomical characteristics.</a> Journal of the Science of Food and Agriculture. 63, 407-417 (1993).</li>
<li>Hatfield, R., Wilson, J., Mertens, D. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/230497359_Composition_of_cell_walls_isolated_from_cell_types_of_grain_sorghum_stems">Composition of cell walls isolated from cell types of grain sorghum stems.</a> Journal of the Science of Food and Agriculture. 79, 891-899 (1999).</li>
<li>Du, J., et al. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/305888478_Micron-scale_phenotyping_quantification_and_three-dimensional_microstructure_reconstruction_of_vascular_bundles_within_maize_stalks_based_on_micro-CT_scanning">Micron-scale phenotyping quantification and three-dimensional microstructure reconstruction of vascular bundles within maize stems based on micro-CT scanning.</a> Functional Plant Biology. 44 (1), 10-22 (2016).</li>
<li>Pan, X., et al. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/320376063_Three-dimensional_Reconstruction_of_Maize_Roots_and_Quantitative_Analysis_of_Metaxylem_Vessels_based_on_X-ray_Micro-Computed_Tomography">Reconstruction of Maize Roots and Quantitative Analysis of Metaxylem Vessels based on X-ray Micro-Computed Tomography.</a> Canadian Journal of Plant Science. 98 (2), 457-466 (2018).</li>
<li>McElrone, A. J., Choat, B., Parkinson, D. Y., MacDowell, A. A., Brodersen, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+high+resolution+computed+tomography+to+visualize+the+three+dimensional+structure+and+function+of+plant+vasculature%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Using high resolution computed tomography to visualize the three dimensional structure and function of plant vasculature.</a> Journal of Visualized Experiments. (74), e50162(2013).</li>
<li>Cloetens, P., Mache, R., Schlenker, M., Lerbs-Mache, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+phase+tomography+of+Arabidopsis+seeds+reveals+intercellular+void+network%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+Unites+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Quantitative phase tomography of Arabidopsis seeds reveals intercellular void network.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the Unites States of America. 103, 14626-14630 (2006).</li>
<li>Dorca-Fornell, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Increased+leaf+mesophyll+porosity+following+transient+retinoblastoma-related+protein+silencing+is+revealed+by+microcomputed+tomography+imaging+and+leads+to+a+system-level+physiological+response+to+the+altered+cell+division+pattern%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Journal%22%5BJournal%5D)">Increased leaf mesophyll porosity following transient retinoblastoma-related protein silencing is revealed by microcomputed tomography imaging and leads to a system-level physiological response to the altered cell division pattern.</a> Plant Journal. 76 (6), 914-929 (2013).</li>
<li>Verboven, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Void+space+inside+the+developing+seed+of+Brassica+napus+and+the+modelling+of+its+function%5BTitle%5D)+AND+%22New+Phytologist%22%5BJournal%5D)">Void space inside the developing seed of Brassica napus and the modelling of its function.</a> New Phytologist. 199, 936-947 (2013).</li>
<li>Brodersen, C. R., Roark, L. C., Pittermann, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+physiological+implications+of+primary+xylem+organization+in+two+ferns%5BTitle%5D)+AND+%22Plant%2C+Cell+%26+Environment%22%5BJournal%5D)">The physiological implications of primary xylem organization in two ferns.</a> Plant, Cell & Environment. 35, 1898-1911 (2012).</li>
<li>Choat, B., Brodersen, C. R., McElrone, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synchrotron+X-ray+microtomography+of+xylem+embolism+in+Sequoia+sempervirens+saplings+during+cycles+of+drought+and+recovery%5BTitle%5D)+AND+%22New+Phytologist%22%5BJournal%5D)">Synchrotron X-ray microtomography of xylem embolism in Sequoia sempervirens saplings during cycles of drought and recovery.</a> New Phytologist. 205, 1095-1105 (2015).</li>
<li>Torres-Ruiz, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+x-ray+microtomography+observation+confirms+the+induction+of+embolism+upon+xylem+cutting+under+tension%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Physiology%22%5BJournal%5D)">Direct x-ray microtomography observation confirms the induction of embolism upon xylem cutting under tension.</a> Plant Physiology. 167, 40-43 (2015).</li>
<li>Staedler, Y. M., Masson, D., Schönenberger, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plant+tissues+in+3D+via.+x-ray+tomography%3A+simple+contrasting+methods+allow+high+resolution+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Plant tissues in 3D via. x-ray tomography: simple contrasting methods allow high resolution imaging.</a> PLoS One. 8, 75295(2013).</li>
<li>Zhang, Y., Legay, S., Barrière, Y., Méchin, V., Legland, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Color+quantification+of+stained+maize+stem+section+describes+lignin+spatial+distribution+within+the+whole+stem%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Science+of+Food+and+Agriculture%22%5BJournal%5D)">Color quantification of stained maize stem section describes lignin spatial distribution within the whole stem.</a> Journal of the Science of Food and Agriculture. 61, 3186-3192 (2013).</li>
<li>Legland, D., Devaux, M. F., Guillon, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Statistical+mapping+of+maize+bundle+intensity+at+the+stem+scale+using+spatial+normalisation+of+replicated+images%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Statistical mapping of maize bundle intensity at the stem scale using spatial normalisation of replicated images.</a> PLoS One. 9 (3), 90673(2014).</li>
<li>Heckwolf, S., Heckwolf, M., Kaeppler, S. M., de Leon, N., Spalding, E. P. <a target="_blank" href="https://plantmethods.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13007-015-0070-x">Image analysis of anatomical traits in stem transections of maize and other grasses.</a> Plant Methods. 11, 26(2015).</li>
<li>Wu, H., Jaeger, M., Wang, M., Li, B., Zhang, B. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+distribution+of+vessels%2C+passage+cells+and+lateral+roots+along+the+root+axis+of+winter+wheat+%28Triticum+aestivum%29%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+Botany%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional distribution of vessels, passage cells and lateral roots along the root axis of winter wheat (Triticum aestivum).</a> Annals of Botany. 107, 843-853 (2011).</li>
<li>Chopin, J., Laga, H., Huang, C. Y., Heuer, S., Miklavcic, S. J. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26398501">RootAnalyzer: A Cross-Section Image Analysis Tool for Automated Characterization of Root Cells and Tissues.</a> PLoS One. 10, 0137655(2015).</li>
<li>Passot, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+pearl+millet+root+architecture+and+anatomy+reveals+three+types+of+lateral+roots%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Plant+Science%22%5BJournal%5D)">Characterization of pearl millet root architecture and anatomy reveals three types of lateral roots.</a> Frontiers in Plant Science. 7, 829(2016).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

随着CT技术在生物医学和材料科学领域的成功应用，该技术已逐步被引入植物学与农业领域，成为推动植物生命科学研究的一种有前景的技术工具。20世纪90年代末，CT技术首次被用于研究植物根系的形态结构及其发育过程。在过去十年中，同步辐射高分辨率CT（HRCT）已成为植物生物学家一种强大且非破坏性的研究工具，并已成功应用于葡萄维管系统组织结构8、拟南芥（Arabidopsis）叶片组织结构9,10以及油菜种子结构11的鉴定。借助同步辐射HRCT技术，木本植物维管束结构与功能的研究取得了显著进展12,13,14。然而，针对玉米、小麦、水稻等作物的HRCT技术研究仍十分有限15。玉米无次生生...

玉米的维管系统贯穿整株植物，从根和茎延伸至叶片，构成了输送水分、矿物质养分以及有机物质的关键运输通道1。维管系统的另一重要功能是为玉米植株提供机械支撑。例如，根和茎中维管束的形态、数量和分布与玉米植株的抗倒伏能力密切相关2,3。目前，关于维管束解剖结构的研究主要依赖显微和超微观察技术，展示茎、叶或根某一部分的解剖结构，再通过人工观察进行测量和计数。毋庸置疑，对大规模显微图像中各种微观结构进行人工测量是一项极为繁琐且低效的工作，由于主观性和不一致性，严重限制了微形态性状的精确性4,5。
玉米没有次生生长，其初生分生组织的细胞内容物主要由水组成。若不进行任何预处理，玉米组织的新鲜样品可直接使用显微CT设备扫描；然而，扫描结果可能较差且粗糙。主要原因总结如下：（1）植物组织的衰减密度较低，导致原子序数对比度低，图像噪声较高；（2）新鲜植物材料在常规扫描环境中容易脱水和收缩，正如Du6所报道。上述问题已成为玉米、小麦、水稻及其他单子叶植物显微表型技术发展与应用的主要限制因素。本文介绍了一种“样品制备方案”，用于对玉米茎、叶和根的样品进行预处理。该方案可避免植物材料在CT扫描过程中发生脱水和变形，从而有利于延长植物样品在无变形状态下的保存时间。此外，基于固态碘的染色步骤也增强了植物材料的对比度，显著提高了显微CT的成像质量。进一步地，我们开发了名为VesselParser的图像处理软件，用于处理玉米茎和叶的CT图像。该软件集成了多种图像处理流程，可对不同植物组织的二维CT图像进行高通量、自动化的表型分析。通过自动化的图像处理方法，可对玉米茎和叶整个横截面中的维管束进行检测、提取和识别。最终，我们获得了玉米茎的31种微观表型性状和玉米叶的33种微观表型性状。对于玉米根的CT图像序列，我们开发了一套图像处理方案，用于获取后生木质部导管的三维表型性状。与传统方法相比，该方案在图像获取和重建效率方面具有明显优势。
这些结果表明，考虑普通X射线显微CT成像特性的图像处理流程为维管束的显微表型分析提供了一种有效方法；这极大地拓展了CT技术在植物科学中的应用，并提升了植物材料在细胞分辨率水平上的自动表型分析能力6,7。

<table><tbody><tr><td>Skyscan 1172 X射线计算机断层扫描系统</td><td>Bruker Corporation, Belgium</td><td>NA</td><td>用于CT扫描</td></tr><tr><td>CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; 临界点干燥系统（Leica CPD300）</td><td>Leica Corporation, Germany</td><td>NA</td><td>用于样品干燥</td></tr><tr><td>乙醇</td><td>任意品牌</td><td>NA</td><td>用于FAA固定</td></tr><tr><td>甲醛</td><td>任意品牌</td><td>NA</td><td>用于FAA固定</td></tr><tr><td>乙酸</td><td>任意品牌</td><td>NA</td><td>用于FAA固定</td></tr><tr><td>手术刀片</td><td>任意品牌</td><td>NA</td><td>用于切割样品片段</td></tr><tr><td>3D打印机</td><td>Makerbot Replicator 2, MakerBot Industries, USA</td><td>NA</td><td>用于打印玉米根、茎、叶的样品篮</td></tr><tr><td>离心管</td><td>Corning, USA</td><td>NA</td><td>放置根、茎或叶材料</td></tr><tr><td>固体碘</td><td>任意品牌</td><td>NA</td><td>用于样品染色</td></tr><tr><td>SkyScan NRecon软件</td><td>SkyScan NRecon, 版本：1.6.9.4, Bruker Corporation, Belgium</td><td>NA</td><td>用于图像重建</td></tr><tr><td>VesselParser软件</td><td>VesselParser, 版本：3.0, 国家农业信息技术工程技术研究中心（NERCITA），中国北京</td><td>NA</td><td>玉米茎或叶单张CT图像的图像分析流程</td></tr><tr><td>ScanIP</td><td>ScanIP, 版本：7.0; Simpleware, Exeter, UK</td><td>NA</td><td>三维图像处理软件</td></tr><tr><td>乳胶手套</td><td>任意品牌</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>镊子</td><td>任意品牌</td><td>NA</td><td></td></tr></tbody></table>

基于x射线显微计算机断层扫描的玉米维管束微米级表型分析技术

Micron-scale Phenotyping Techniques of Maize Vascular Bundles Based on X-ray Microcomputed Tomography

基于高通量图像分析技术，准确量化玉米材料的解剖结构十分必要。本文提供了一种适用于常规微型计算机断层扫描（micro-CT）的玉米材料（i.e.，茎、叶和根）的“样品制备方案”。基于玉米茎、叶和根的高分辨率CT图像，我们描述了两种用于维管束表型分析的方案：（1）基于玉米茎和叶的CT图像，我们开发了一套特定的图像分析流程，可自动提取31项和33项维管束表型性状；（2）基于玉米根的CT图像序列，我们建立了一种图像处理方案，用于对后生木质部导管进行三维（3-D）分割，并提取了诸如后生木质部导管体积、表面积等二维（2-D）和三维表型性状。etc. 与传统的玉米材料维管束人工测量方法相比，所提出的方案显著提高了微米尺度表型定量的效率和准确性。

适用于普通微计算机断层扫描（micro-CT）的样品制备方案不仅能防止植物组织变形，还可增强X射线吸收对比度。经预处理的植物材料通过micro-CT系统扫描获得高质量的断层图像，最高分辨率可达2 µm/像素。图4展示了茎、叶和根的micro-CT扫描图像，与新鲜植物材料直接扫描的结果相比，图像对比度有显著提升。在这些CT断层图像中，维管束、薄壁细胞、木质部导管、表皮及其他组织之间的灰度值差异明显可见。
基于该维管束成像软件，可对茎或叶横截面内维管束的结构与分布特征进行自动分析与量化。以玉米茎的图像为例，该软件的表型分析算法包含五个步骤：切片图像分割、维管束分割、维管束空间分布分析、维管束识别与优化，以及维管束表型性状的计算与输出。首先，根据特定或自适应的阈值，对图像中的整个表皮区域进行分割，并通过轮廓分析技术提取表皮区域（图 3A 和...

我们提供了一种新颖的方法，可提高玉米组织的X射线吸收对比度，适用于常规的微型计算机断层扫描。基于CT图像，我们引入了一套针对不同玉米材料的图像处理工作流程，以有效提取玉米维管束的显微表型特征。

基于X射线显微计算机断层扫描的玉米维管束微米级表型分析技术

准确量化玉米材料的解剖结构需要基于高通量图像分析技术。本文提供了一种……

该方法可快速解答在计划中的微米级表型分析技术构建过程中所遇到的问题，例如微米级CT扫描颗粒以及玉米维管束的表型分析方法。该技术的主要优势在于，通过样品制备、CT扫描以及分析流程，为研究玉米维管束的表型特征提供了新颖且有效的途径。该技术的应用拓展了普通微计算机断层扫描及其他植物科学领域的应用范围。本方案可轻松修改以适用于其他植物材料，例如调整干燥过程中的脱水步骤。首先，从新鲜的玉米植株中采集茎、叶和根。并将它们分为三个样本组。接下来，使用手术刀切取茎秆中部节间1至1.5厘米长的片段。使用同一把手术刀，沿叶片主脉的垂直方向，从叶片最宽处切取1/2至2厘米长的片段。使用手术刀从根部切取一段长约0.5厘米的样品。随后，将样品段浸入FAA固定液中，至少浸泡三天。接着将样品段依次通过六个浓度梯度的乙醇溶液进行脱水，每个梯度处理30分钟。然后将植物材料放入相应的样品篮中。迅速将样品篮转移至二氧化碳临界点干燥系统的样品室。将干燥后的植物材料放入含有两克固体碘的50毫升离心管中。然后将试管置于避光房间中4至5小时。首先，根据文本方案设置CT扫描参数。接着，根据所用植物材料的不同大小和体积，设置扫描范围。接下来，按如下设置调整成像像素大小：根部为 2 µm，茎部为 6.77 µm，叶片为 10 µm。为了重建切片图像，使用影像重建软件将原始CT数据转换为分辨率为2K的CT切片图像。首先，在自动成像软件中指定器官类型，以初始化不同的算法流程。然后，点击方法参数按钮，并在第一个下拉框中选择玉米茎或玉米叶。单击数据管理按钮，设置工作目录，并导入该目录中的所有切片图像。然后将单个或多个切片图像选入图像处理流程。接下来，确定图像的像素尺寸。点击方法参数按钮，并在相应的编辑项中输入图像的像素尺寸。然后，点击表型计算按钮，以自动提取所有选定切片图像中维管束的表型性状。点击统计分析按钮，将这些分析结果输出为文本文件或CSV文件。导入玉米根部的重建图像，并确定精确的空间参数。然后使用递归高斯工具对图像进行平滑处理，以提高图像质量。调整阈值参数，对后生木质部导管进行三维分割。这将为每个相连的后生木质部导管创建统一的颜色标签。然后，通过形态学位运算和泛洪填充操作，交互式地优化并识别后生木质部导管。接下来，对导管进行体积可视化和表面重建。最后，使用掩膜统计工具在二维和三维层面上对导管的表型性状进行计数和测量。根据本实验方案中所述的分析方法，计算了玉米茎、叶和根中维管束的表型性状。基于分割、重建及体可视化结果，生成了根部和后生木质部导管的三维可视化图像。适当的样品制备方案显著提升了玉米茎、叶和根的显微CT扫描成像质量。通过自动发射流程，可快速提取玉米茎和叶维管束的表型性状；并通过设置和发射处理扫描，分析玉米根维管束的三维表型性状。该技术为玉米维管束的准确、快速表型定性和鉴定提供了实用方法。

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科研

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生物学

基于 X 射线 Microcomputed 层析成像的玉米血管束微米尺度分型技术研究

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。...

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

采用双链RNA干扰（dsRNAi）技术下调玉米肉桂酰辅酶A还原酶（ZmCCR1）基因，以降低植株木质素含量。通过显微分析观察细胞壁中木质素的下调情况，并采用克拉森法进行定量测定。同时分析半纤维素和结晶纤维素的组分变化。...

木质素下调 Zea mays 通过dsRNAi和Klason木质素分析

量化细胞分裂与扩展对理解整株植物生长至关重要。本文介绍了一种计算决定玉米叶片生长速率的细胞参数的实验方案，并强调了利用这些数据通过指导发育阶段特异性的取样策略来研究分子水平上的生长调控机制。...

细胞分裂与扩张的运动学分析：量化生长的细胞基础及发育区域取样 Zea mays 叶片

许多在发育过程中重要的基因具有细胞或组织特异性的表达模式。本文描述了通过激光显微切割结合RNA测序（LM...

激光显微切割RNA测序的实验设计：来自玉米叶片发育分析的经验

微型计算机断层扫描（Micro-CT）是一种非破坏性工具，可用于三维分析植物结构。本实验方案描述了利用微型计算机断层扫描分析寄生植物结构与功能所需的样品制备方法。通过使用不同物种，展示了该方法在结合特定样品制备技术时的优势。...

利用微计算机断层扫描技术分析寄生植物与寄主的相互作用

玉米叶片原基深陷于叶鞘中且呈卷曲状，难以进行研究。本文介绍了制备玉米叶片原基横切面和展平的整体装片的方法，适用于荧光和共聚焦成像。...

改进的玉米叶原基横切面与展平全组织制片方法用于荧光及共聚焦成像

我们设计了一种基于图像的表型分析方案，用于确定植物对单一及复合的高温、干旱和涝渍处理所引发的形态学和生理学响应。该方法能够在全植株水平（尤其是地上部分）识别早期、晚期以及恢复期的响应特征，并凸显了使用多种成像传感器的必要性。...

基于高通量图像的表型分析技术用于确定马铃薯对单一及复合胁迫的形态与生理响应

评估C3和C4植物叶片横切面之间的解剖学差异有助于理解光合作用效率。本文介绍了小麦（Triticum aestivum）和玉米（Zea...

评估利用徒手切片和半薄切片技术对小麦（Triticum aestivum）和玉米（Zea mays）中C3与C4光合作用差异的结构特征

本文介绍了一种低成本的植物成像方法，用于测量表型，并提供了图像采集的最佳实践以及量化植物性状的图像分析流程。这些方法已应用于测量玉米（Zea...

成像与分析用于量化玉米（Zea mays）非生物胁迫表型

我们在欧洲同步辐射设施（ESRF）利用同步辐射X射线断层扫描技术，以0.7µm的像素分辨率无创地获取三维断层扫描数据集。通过体渲染软件，可在无需组织学切片的情况下，以自然状态重建内部结构，避免了由组织学切片所导致的人工假象。...

使用同步辐射X射线断层扫描实现亚微米分辨率的非侵入式三维可视化

学习利用X射线显微CT扫描技术对玉米茎、叶、根等组织进行微米尺度表型分析的方法。该技术通过优化样本制备流程，有效提升维管束成像质量，实现高通量三维表型性状自动提取，为植物科学研究和作物育种提供精准可靠的表型鉴定工具。

基于X射线显微计算机断层扫描的玉米维管束微米级表型分析技术

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