丹佛斯中心的科學(xué)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(cè)量植物表型是一個(gè)用來描述生物體可觀察特征的術(shù)語(yǔ)，是研究和改良具有重要經(jīng)濟(jì)意義的作物的一個(gè)關(guān)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(shí)顏色等特征。這些特征是肉眼可見的，但實(shí)際上是由植物中的微觀分子和細(xì)胞過程驅(qū)動(dòng)的。使用三維 (3D) 成像是植物生物學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)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(xì)胞和細(xì)胞器，到葉子和花朵。然而，當(dāng)前的 3D 成像過程受到耗時(shí)的樣品制備和成像深度的限制，通常只能到達(dá)植物組織內(nèi)的幾層細(xì)胞。領(lǐng)導(dǎo)的新研究唐納德丹佛斯植物科學(xué)中心助理成員克里斯托弗托普博士和他實(shí)驗(yàn)室的研究科學(xué)家基思鄧肯開創(chuàng)了 X 射線顯微鏡技術(shù)，以細(xì)胞分辨率在前所未有的深度對(duì)植物細(xì)胞、整個(gè)組織甚至器官進(jìn)行成像.這項(xiàng)工作得到 Valent BioSciences LLC 和住友化學(xué)公司的支持，最近發(fā)表在科學(xué)雜志《植物生理學(xué)》上，題為X 射線顯微鏡能夠?qū)χ参锛?xì)胞、組織和器官進(jìn)行多尺度高分辨率 3D 成像。這項(xiàng)工作將使全球植物科學(xué)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(cè)重于多尺度，”通訊作者克里斯托普說，“因?yàn)橹参锸嵌喑叨鹊?。玉米穗最初是一組稱為分生組織的微觀細(xì)胞。分生組織細(xì)胞最終將通過分裂和生長(zhǎng)形成玉米植株的所有可見部分。”他們改進(jìn)的 3D X 射線顯微鏡 (XRM) 技術(shù)使研究人員能夠?qū)⒅参锏陌l(fā)育微觀結(jié)構(gòu)(例如分生組織細(xì)胞)與成熟時(shí)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(gè)植物器官和組織的細(xì)胞級(jí)分辨率。

此外，他們的 XRM 方法還可以以出色的分辨率對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，包括根、真菌和其他微生物。“植物根系驅(qū)動(dòng)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(bào)，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?yàn)樵谖覀儼l(fā)明化肥之前，它是磷和氮的主要來源。”我們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)踐中對(duì)化肥的依賴反過來又對(duì)全球氣候變化做出了重大貢獻(xiàn)。“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(jì)，這一過程每年會(huì)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(yùn)動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分包括減少化學(xué)投入，并促進(jìn)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(xué)中的其他成像方法相比，3D XRM 方法是獨(dú)一無二的，因?yàn)樗軌虍a(chǎn)生基本完美的植物結(jié)構(gòu) 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(jìn)行了優(yōu)化。相比之下，通過使用 3D XRM，由 Topp 和 Duncan 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)能夠?qū)Πㄓ衩住⒐茸?、大豆、畫眉草在?nèi)的一系列具有重要經(jīng)濟(jì)意義的作物的“厚組織”進(jìn)行成像，這些組織對(duì)典型的光學(xué)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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