基于X光的計算機斷層掃描技術（CT）廣泛應用于科學研究各個領域，如制藥、納米科學、材料科學以及植物科學等領域。得益于X光CT技術，在農業以及植物科研進展也十分迅速。X光CT成像方法使得高通量、無損、無干擾測量植物根系統成為可能，也使得植物生長期間對下游復雜機制的研究成為可能。到目前為止，已經采集到大量植物CT掃描數據，但如何有效、有效對其進行分析，還面臨著挑戰。科研人員經過對植物根系3D CT斷層掃描的有效的統計以及計算方法進行了回顧。基于圖像的植物根系分析方法劃分如下 (1) 根分區切割，例如，（1）將根系與非根背景區分；(2)根系統重建；(3) 提取高層級表型性狀。
 

實際環境下植物分析

理論上，人們可在田間通過人工視覺簡單觀測植物。但該方法為主觀方法，并不精確。如果一個人連續觀測數百個植株，很容易看出趨勢，但結果總是不同。因此，研究人員選擇使用非破壞性監測系統，Oliver Scholz教授，X光技術研發中心的系統研究組負責人表示。要生成有意義數據，研究人員需要分析多個品系的各數十株植物。該研究所位于Fürth的基地針對此研究配備了一個專門溫室以及數個環境箱，用以模擬限定氣候條件。研究者直接讀取并精確分析葉片尺寸、葉面積、傾斜以及曲率等。
 

植物地下部分，例如其根部結構和果序也可提供關于植物生物量的重要信息。光學監控技術于此已經達到，這是為何研究人員在此處選擇了X射線。X射線成像和顯微法近幾十年來取得了巨大進展。此技術可輕松用于檢測鋼制或其它合金材質大樣品。在現今系統上可以清楚顯示小材料缺陷，輪胎鋁輪轂或缸頭殼體，易于鑒別。但表型領域研究者面對不同的挑戰。與工業和實驗室多處應用不同，表型不僅僅關注圖像品質，成像的限制因素是成像時間，Stefan Gerth博士-革新系統設計團隊負責人表示，該所研究者開發了自己的實驗室系統，目標是在有效圖像品質和更短測量時間間取得平衡。
 

X光可幫助研究者看到地下情形。上圖是在不同發育階段的土豆
 

測量時間影響非常大，原因是研究者通常會測量一系列產品。長時測量在時間上并不經濟，將植物長時間放在X光機內相當于將植物從其熟悉環境中“隔離”出來，嚴重影響效果的有效性。Frauhofer研究所X光技術研發中心不斷投入到優化X光系統的研究中，從而可約在5-7分鐘完成植物掃描。另外除了特別適應的硬件，研究所用的軟件作用也至關重要。因成像時間短，源數據包含很多噪音，難于處理。智能算法很大程度上對此進行了補償，可全自動將植物器官與周圍環境分離出來。

Frauhofer植物計算機斷層掃描表型成像系統采用微焦點X射線成像原理進行分辨率三維成像，可以在不破壞樣品（無需染色、無需切片）的情況下，獲得高精度三維圖像，顯示樣品內部詳盡的三維信息，并進行結構、密度的定量分析，適用于觀察植物化石樣品結構和植物活體組織的細胞結構，近年來被廣泛應用于結構學、組織學、生物學特別是古生物學等研究領域，例如花、果實、種子、根系等研究。

用計算機斷層掃描對小麥的干旱和耐熱脅迫進行篩選

提高小麥的非生物脅迫耐受性需要大規模篩選種子重量、種子數和單粒重等產量成分，所有這些都非常費力，而且對種子形態的詳細分析既耗時又在視覺上通常是不可能的。計算機斷層掃描提供了更快、更準確地評估產量成分的機會。結果：對 203 個非常多樣化的小麥種質進行了 X 射線計算機斷層掃描分析，這些種質已經暴露于干旱或干旱和熱脅迫。結果表明，我們的計算機斷層掃描管道能夠以 95-99% 的準確度評估顆粒集。大多數暴露于干旱和熱脅迫的種質會長出更小、干癟的種子，種子表面增加。正如預期的那樣，與單獨干旱相比，干旱和高溫聯合下的種子重量和每穗種子數以及單個種子大小顯著降低。在小麥穗的頂部和底部，沿穗的種子重量顯著降低。結論：我們能夠建立一個具有更高吞吐量的管道，掃描時間為每穗 7 分鐘，并且比以前的管道預測一組重要的農藝種子性狀的準確性更高，并可視化更復雜的性狀，例如種子變形。這里介紹的管道可以擴大規模以用于數萬頭的高通量、高分辨率表型分析，從而大大加快育種工作以提高非生物脅迫耐受性。在小麥穗的頂部和底部，沿穗的種子重量顯著降低。結論：我們能夠建立一個具有更高吞吐量的管道，掃描時間為每穗 7 分鐘，并且比以前的管道預測一組重要的農藝種子性狀的準確性更高，并可視化更復雜的性狀，例如種子變形。這里介紹的管道可以擴大規模以用于數萬頭的高通量、高分辨率表型分析，從而大大加快育種工作以提高非生物脅迫耐受性。在小麥穗的頂部和底部，沿穗的種子重量顯著降低。結論：我們能夠建立一個具有更高吞吐量的管道，掃描時間為每穗 7 分鐘，并且比以前的管道預測一組重要的農藝種子性狀的準確性更高，并可視化更復雜的性狀，例如種子變形。這里介紹的管道可以擴大規模以用于數萬頭的高通量、高分辨率表型分析，從而大大加快育種工作以提高非生物脅迫耐受性。我們能夠建立一個具有更高吞吐量的管道，掃描時間為每穗 7 分鐘，并且比以前的管道預測一組重要的農藝種子性狀更準確，并可視化更復雜的性狀，例如種子變形。這里介紹的管道可以擴大規模以用于數萬頭的高通量、高分辨率表型分析，從而大大加快育種工作以提高非生物脅迫耐受性。我們能夠建立一個具有更高吞吐量的管道，掃描時間為每穗 7 分鐘，并且比以前的管道預測一組重要的農藝種子性狀更準確，并可視化更復雜的性狀，例如種子變形。這里介紹的管道可以擴大規模以用于數萬頭的高通量、高分辨率表型分析，從而大大加快育種工作以提高非生物脅迫耐受性。
 

北京博普特科技有限公司擁有系列植物根系研究設備和系統，將致力促進其在植物根系表型組學以及生態領域的應用。