发育的大豆花复合体,使用蔡司Xradia Versa X射线显微镜成像,显示出发育中的胚珠被含有明亮花粉粒的花药包围的子房。
用于生命科学领域的X射线成像应用

无需切片即可获得植物内部结构

揭示完整三维环境的细胞级洞察力

了解植物器官系统可以深入洞察健康状态参数,例如作物的生长力、寿命、耕作效率和规模。这些参数的可视化以及它们如何发展、发挥作用和受外部因素的影响,有助于优化植物的健康状况和产量。X射线无损成像显微镜可提供不同植物成分的高分辨率结构信息,而无需切割样品和移除三维环境。1、2

图像由美国唐纳德丹福斯植物科学中心的Keith Duncan博士提供。

探索种子发育

发育中的大豆种子的高分辨率三维扫描图,使用蔡司Xradia Versa成像。胚珠位于子房中,随着种子发育成为大豆荚。由美国唐纳德丹福斯植物科学中心的K. Duncan提供。

获得高分辨率洞察力而不破坏种子的完整结构

蔡司Xradia系列的X射线设备提供高衬度和高分辨率,能够无损捕获多种不同结构,包括植物的根、叶、茎、花序和种子。蔡司Xradia Versa X射线显微镜具有多个物镜,能够实现两级放大,以细胞级分辨率展示植物样品的内部,同时保持细胞细节的完整三维环境。

拟南芥种子,使用蔡司Xradia Versa X射线显微镜成像,并使用Dragonfly Pro进行三维分割。

从三维洞察中生成可量化数据

在完成高分辨率采集之后,可以对数据进行分割以实现三维数据的量化。淀粉颗粒数量、粒径和分布等信息可以使用Dragonfly Pro等分析工具包从高质量数据集中获取。

研究花序

不同长度尺度的拟南芥显花结构。亮点表示花粉粒,长而高的结构表示子房,内含许多发育中的胚珠(种子)。由美国唐纳德丹福斯植物科学中心的K. Duncan提供。

精致复杂的花结构的多尺度成像

通过使用蔡司Xradia Versa收集的数据并使用Dragonfly Pro图像分析软件进行处理,可以获得对植物内部结构的细胞级洞察力。这些信息在全植物环境中获取,因为无需为采集图像而切割样品。

根系成像

在土壤中生长的根系。对整个2 cm × 10 cm注射器筒进行成像,以识别感兴趣区域用于后续的更高分辨率成像。由美国圣路易斯市唐纳德丹福斯植物科学中心的K. Duncan提供。

对土壤中生长的根系进行多尺度成像

根系结构的发育及其与土壤的相互作用是植物整体健康状况和增殖的关键因素。然而,根系位于土壤表面以下,因此很难捕捉到根系的发育过程或在原位观察根系。X射线成像的无损性使其成为观察在土壤中生长的根系和根系网络的理想技术。 蔡司Xradia Versa高分辨率X射线显微镜能够深入洞察根系结构,直至细胞级,同时保留根系其余部分的环境。

研究减少土壤侵蚀的方法

菥蓂种荚,使用蔡司Xradia Versa成像,首先使用0.4×物镜,然后使用4×物镜。由美国唐纳德丹福斯植物科学中心的K. Duncan提供。

无损评估菥蓂

寻找减少土壤侵蚀和肥料流失的方法,对于保持土壤质量和优化不同地点的作物产量非常重要。菥蓂正被开发为经济型覆盖作物,种植在传统商品作物之间,能够减少土壤侵蚀和肥料流失,隔离土壤中的碳,并维持土壤中有利的微生物种群。 通过X射线显微镜可以观察菥蓂的内部结构,而无需进行物理切片。

探索土壤团聚体

样品管内的土壤聚集体,使用蔡司Xradia Versa在多个尺度上不受干扰地成像。由美国唐纳德丹福斯植物科学中心的K. Duncan提供。

不受干扰地捕获土壤团聚体的结构

除了土壤侵蚀,还需要注意不同土地管理方式对土壤和土壤团聚体的影响。可使用X射线无损成像三维探索一定体积土壤的结构、界面和变化。您可以借此从多个长度尺度了解土地管理实践如何影响土粒排列和植物健康状况,获得其他方式无法提供的有用洞察,还可以对不同土地管理实践(例如免耕与传统耕作)下的土壤进行比较研究。

提高三维采集的信噪比和通量

从烟叶上钻取活组织检查。3001二维投影数据集采用传统FDK(左)进行重构
从烟叶上钻取活组织检查。3001二维投影数据集采用DeepRecon(右)进行重构
从烟叶上钻取活组织检查。3001二维投影数据集采用传统FDK(左)和DeepRecon(右)进行重构。由美国唐纳德丹福斯研究中心的K. Duncan和K. Czymmek提供。

通过深度学习重构减少噪点并同时缩短采集时间

深度学习重构提升了重构数据集的信噪比和成像方法的总体通量。蔡司DeepRecon只需要少量二维投影图像就可完成最终重构,从而减少采集时间并可将µCT通量提高至10倍。

无需任何额外X射线束线硬件即可实现这种显著的性能改进。对于植物科学样品,通量提高有利于每次采集,而信噪比的增加在分辨率提高和感兴趣结构被噪点笼罩时特别有用。

成像应用

唐纳德丹福斯植物科学中心

  • 了解全球最大的独立非营利性植物研究所如何使用蔡司Xradia Versa X射线显微镜探索花序发育,对根系进行多尺度成像,以及研究减少土壤侵蚀的方法。


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    • Using X-ray Microscopy for High Resolution Multiscale 3D Imaging in Plant Biology

      A valuable approach for exploring plant anatomy

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