丹佛斯中心的科學家開發(fā)了一種前所未有的三維 X 射線顯微鏡方法

英石。密蘇里州路易斯市，2021 年 12 月 7 日 –測量植物表型是一個用來描述生物體可觀察特征的術語，是研究和改良具有重要經(jīng)濟意義的作物的一個關鍵方面。育種過程的核心表型包括玉米粒數(shù)、小麥種子大小或葡萄果實顏色等特征。這些特征是肉眼可見的，但實際上是由植物中的微觀分子和細胞過程驅動的。使用三維 (3D) 成像是植物生物學領域的一項最新創(chuàng)新，可在“整株植物”尺度上捕獲表型：從根中的微小細胞和細胞器，到葉子和花朵。然而，當前的 3D 成像過程受到耗時的樣品制備和成像深度的限制，通常只能到達植物組織內的幾層細胞。領導的新研究唐納德丹佛斯植物科學中心助理成員克里斯托弗托普博士和他實驗室的研究科學家基思鄧肯開創(chuàng)了 X 射線顯微鏡技術，以細胞分辨率在前所未有的深度對植物細胞、整個組織甚至器官進行成像.這項工作得到 Valent BioSciences LLC 和住友化學公司的支持，最近發(fā)表在科學雜志《植物生理學》上，題為X 射線顯微鏡能夠對植物細胞、組織和器官進行多尺度高分辨率 3D 成像。這項工作將使全球植物科學家能夠以革命性的清晰度研究地上和地下特征。

“這篇論文側重于多尺度，”通訊作者克里斯托普說，“因為植物是多尺度的。玉米穗最初是一組稱為分生組織的微觀細胞。分生組織細胞最終將通過分裂和生長形成玉米植株的所有可見部分。”他們改進的 3D X 射線顯微鏡 (XRM) 技術使研究人員能夠將植物的發(fā)育微觀結構(例如分生組織細胞)與成熟時的可見特征(例如葉子和花朵)聯(lián)系起來。換句話說，3D XRM 提供了整個植物器官和組織的細胞級分辨率。

此外，他們的 XRM 方法還可以以出色的分辨率對地下結構進行成像，包括根、真菌和其他微生物。“植物根系驅動著許多重要的生物過程;它們以土壤中的微生物為食，作為回報，植物獲得磷和氮，”Topp 解釋說。“我們知道根和微生物之間的相互作用很重要，因為在我們發(fā)明化肥之前，它是磷和氮的主要來源。”我們在標準農(nóng)業(yè)實踐中對化肥的依賴反過來又對全球氣候變化做出了重大貢獻。“在過去的 100 年里，所有生物可利用的氮中有一半是在工廠生產(chǎn)的，”托普繼續(xù)說道。“據(jù)估計，這一過程每年會使用地球上所有可用能源的 3%，并產(chǎn)生地球上 3% 的溫室氣體排放。”因此，可持續(xù)農(nóng)業(yè)運動的一個關鍵組成部分包括減少化學投入，并促進根系與地下微生物之間的自然相互作用。“直到最近，我們才擁有了解這些相互作用的工具，”Topp 說。“3D XRM 可以幫助釋放在我們的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中重新建立這些自然聯(lián)盟的潛力。”

與植物生物學中的其他成像方法相比，3D XRM 方法是獨一無二的，因為它能夠產(chǎn)生基本完美的植物結構 3D 清晰度。其他常見的方法，例如基于光子的斷層掃描，受到淺成像深度的限制，并在選定的少數(shù)植物物種中進行了優(yōu)化。相比之下，通過使用 3D XRM，由 Topp 和 Duncan 領導的團隊能夠對包括玉米、谷子、大豆、畫眉草在內的一系列具有重要經(jīng)濟意義的作物的“厚組織”進行成像，這些組織對典型的光學方法不適用，和葡萄。“這篇論文首次展示了 3D XRM 的功能范圍，”Topp 指出。

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