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花匠小妙招
2024-08-26 06:33

导语

植物与人类的生活息息相关，人类对植物也十分关注，由此发展出植物学学科。植物学主要研究植物的形态、分类、生理、生态、分布、发生、遗传、进化等，其中对植物的形态结构研究是大部分研究的前提。除了传统的破坏性的显微镜切片观察等方法，显微 CT 可以重建获得植物组织的断面或立体图像，发现其中的细小组织结构变化，从而无损探索植物各组织内部的结构，弥补传统方法的不足。本文将带大家走进几个显微 CT 应用于植物学研究的实例。

1、被子植物结构研究

对于被子植物木质部组织的成像有诸多方法。二维显微镜技术常常被用来进行木材结构的二维显示和研究。当我们需要获得更适应于人眼的三维表示时，则需要通过连续切片来完成。该方法耗时耗力，且具有破坏性。显微 CT 的出现解决了这个问题，它提供了一种无破坏性的多维检查工具，使研究人员能够定性和定量地检查不透明组织的内部结构。此外，通过对显微 CT 数据进行处理，可通过任何角度快速、彻底地检查样本。下图是通过显微 CT 数据重建出的白蜡树早期叠置导管的三维形态。

图 1 白蜡树早期叠置导管的三维形态。A：透明血管元件 (VEW) 显示其简单的穿孔板和侵填体 (Ty)。数据集分辨率：3.12 μm，比例尺：100 μm；B：血管元素的切线视图。血管元素之间的血管间凹坑 (VPIT) 是可见的。数据集分辨率：0.87 μm，比例尺：50 μm；C：耳夹木血管之间的血管间点蚀系统的径向视图。数据集分辨率：0.87 μm，比例尺：25 μm。

通过显微 CT 重建出木材结构三维形态，使我们能够直观、定性地对其进行分析，这些或许能够满足外行人的需要，但对于需要进行深入仔细研究的植物学家来说，还需要能够对一些参数进行定量研究。显微 CT 同样能够满足这一要求。

显微 CT 还使我们能够分析层析图像，并快速地对细胞特征进行广泛的数值分析，包括它们的长度、直径和体积。研究表明，进行相关参数的测量有助于评估和研究木质部的生物力学和水力功能。以上参数中，长度和直径有时能够在二维平面进行测量，有时则涉及多层平面，体积的测量更是完全离不开三维图像，由此可见应用显微 CT 的重要性。

2、海草种子结构研究

海草草甸是当今海洋中最受威胁的栖息地之一，而海草种子对海草草甸的恢复至关重要。因此，充分了解海草种子在水环境中的表现成为了植物学家的重要课题。

植物学家们在观察海草种子的传播时发现了一件神奇的事情：波浪、潮汐、洋流等给海草种子分散带来了巨大的推动力，但是海草种子通常不会分散到远离它们亲本植物的地方。他们对此作出了一个猜想：海草种子的膜状翼可以减少着陆到海床上的种子的水动力，从而稳定它们的方向和位置，直到种子生长出根并牢牢地固定住。但是种子膜状翼的生态驱动因素和进化压力和它的传播距离并没有显著联系，该怎么去验证这个猜想呢？显微 CT 作出了重要贡献。

研究者用显微 CT 对三种海草种子进行了扫描，从而精确地确定了膜状翼的组成、大小、表面积和形状，在此基础上创建计算流体动力学模型，配合以相关实验，得出了结论：覆盖种子的膜状翼可以对种子受到的水动力产生影响。所有物种的种子都有在水平面上旋转到海床上稳定位置的趋势。当种子指向水流或膜翼指向水流时，稳定性最高。在强烈湍流的情况下，种子与海床保持接触：机翼越大，种子越稳定。当所有种子都面对水流时，阻力和升力系数很小，并且在所有情况下都收敛到相似的值。然而，随着种子旋转离开这个稳定位置，阻力系数迅速增加，使得种子很难远离稳定位置。

图 2 (A) 显微 CT 扫描的三个物种的海草种子；(B) 在其中一种海草种子的最宽点处测量的机翼宽度的差异；(C) 表面积；(D) 体积；(E) 表面积与体积比。

3、耐干燥植物脱水复合过程研究

耐干燥（DT）植物是一种神奇的植物，它们可以在经历干旱之后通过再水化恢复功能，因此它们又被人们称为可以复活的植物。那么它们是怎么在不造成结构损伤的情况下使内部的复杂组织完成干燥和再水化的过程的呢？这引起了人们极大的好奇。

显微 CT 出现以前，人们有两种主流方法：一种是从外部推断内部过程，这常常不能进行彻底研究，无法窥其全貌；另一种是切断植物来进行解剖学观察，这种侵入性和破坏性的技术很有可能会引入人工制品，带来一些错误的观察结果。显微 CT 的出现解决了上述问题，它可以清晰地观察到动态的内部结构，且不带来任何破坏，为研究者的后续分析提供了重要的基础。下图是耐干植物干燥和复活期间显微 CT 横截面图像。

图 3 耐干植物干燥和复活期间显微 CT 横截面图像。在干燥之前，成熟、水合的叶柄显示出围绕完全水合的血管圆柱体的干燥皮质组织 (a)；在干燥早期，木质部导管变得充满气体（b）；随后，血管圆柱体（韧皮部和绿藻）中的活组织被压缩（c）；完全干燥的叶柄显示出充满气体的木质部和收缩的血管圆柱体，在血管圆柱体和皮质之间留下间隙 (d, e)；在复活的早期，韧皮部和绿组织扩张（f）；后来，木质部导管重新填充（g）；完全复活的叶柄类似于成熟的、从未干燥的叶柄 (h)。

4、拟南芥花朵发育分期研究

准确的花期分期可以帮助研究花粉和花发育，尤其是雄性发育。研究环境变化下的雄性发育对于帮助提高产量很重要。由于花在假茎内部发育，所以花卉分期研究通常依赖于破坏性分析，例如从植物中取出、固定、染色和切片。这种耗时的分析会阻止后续研究和使分析超过花卉准确的分期点。这个问题该如何解决呢？你不妨可以推测一下。没错，我们的显微 CT 隆重登场了。它可以通过扫描全面而准确地获得拟南芥花朵的内部三维信息，且是毫无破坏的。下图中准确地显示了拟南芥准确分期下的不同形态。

图 4 拟南芥不同发育阶段单芽的显微 CT 的横截面图像。a-f 显示个体器官、花粉和胚珠，其中 a,f 为花期 11，b 为花期 10，c,d 为花期 9，e 为花期 13。i 为花期 11 的芽，g,h 为花期 11 的孤立花药的三维图像。在每幅图像中，a 为花药，c 为心皮，pe 为花瓣，s 为萼片，o 为胚珠，p 为花粉。比例尺为 0.35 毫米。

参考文献：

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