同步輻射X射線成像技術助力大豆根瘤功能結構的可視化與定量評價
Plant Phenomics | 全球糧食安全研究所對大豆根瘤功能結構的同步輻射X射線成像進行可視化與定量評價
在現代農業中，作物與固氮菌的共生關系對于氮肥的可持續替代發揮著重要作用。大豆作為典型的豆科作物，通過根瘤中的固氮細菌進行氮的生物固氮，這一過程極大地影響了作物的生長與產量。為了更好地理解大豆根瘤中不同組織在氮固定過程中的功能，科學家們不斷尋求新的技術手段來可視化和量化根瘤內部的結構。
2024年7月，Plant Phenomics 在線發表了加拿大Global Institute for Food Security題為Visualization and Quantitative Evaluation of Functional Structures of Soybean Root Nodules via Synchrotron X-ray Imaging 的研究論文。這項研究利用同步加速器X射線顯微斷層成像（SR-μCT）技術，對新鮮大豆根瘤的內部結構進行了非侵入性的三維成像。
研究表明，根瘤中的中央感染區（CIZ）是固氮細菌集中的區域，負責氮氣的轉化，而維管束（VBs）則負責將水分、養分及固氮產物輸送到植物體內。通過半自動分割算法，研究團隊生成了大豆根瘤內部結構的三維模型，并對這些結構的體積進行了精確的定量分析。
圖2 4周齡大豆植株（基因型PI209332）新鮮根瘤的同步輻射x射線顯微斷層圖像。
圖5 我們研究的3種不同N2固定的大豆基因型中，每個結節的中心感染區（CIZ，紫色）和結節脈管系統（藍色）的重建結節內部組織的三維視圖。
值得注意的是，研究還利用同步輻射X射線熒光成像（SR-XRF）技術，首次在2D平面上可視化了根瘤內鐵和鋅的分布，鐵主要集中在中央感染區，而鋅則主要分布在維管束中。這些元素的空間分布為理解根瘤的功能提供了新的視角，有望為未來的育種工作提供關鍵表型信息。
這項研究的成果不僅展示了同步加速器X射線成像技術在植物內部結構研究中的潛力，還為通過根瘤功能的增強來提高作物固氮能力提供了新思路。
論文鏈接：
https://doi.org/10.34133/plantphenomics.0203
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About Plant Phenomics
《植物表型組學》（Plant Phenomics）是由南京農業大學創辦的英文學術期刊，于2019年1月正式上線發行。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學交叉學科熱點領域具有突破性科研進展的原創性研究論文、綜述、數據集和觀點。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術，基于圖像分析和機器學習的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農業實踐中的表型組學新應用，與植物表型相結合的分子生物學、植物生理學、統計學、作物模型和其他組學研究，表型組學相關的植物生物學等。期刊已被DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數據庫收錄。科睿唯安JCR2023影響因子為7.6，位于農藝學一區（1/125名），植物科學一區（13/265名），遙感一區（6/62名）。2023年中科院期刊分區位于農林科學大類一區。2020年入選中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊項目、2024年入選江蘇科技期刊卓越行動計劃領軍期刊項目、中國科技期刊卓越行動計劃二期英文梯隊期刊。
說明：本文由《植物表型組學》編輯部負責組稿。
中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。
撰稿：王孟達（南京農英大學）
排版：王平、陳思潔（昆山杜克大學）
審核：尹歡、孔敏
