测量植物表型是一个用来描述生物体可观察特征的术语，是研究和改良具有重要经济意义的作物的一个关键方面。育种过程的核心表型包括玉米粒数、小麦种子大小或葡萄果实颜色等特征。这些特征是肉眼可见的，但实际上是由植物中的微观分子和细胞过程驱动的。使用三维(3D)成像是植物生物学领域的一项最新创新，可在“整株植物”尺度上捕获表型：从根中的微小细胞和细胞器，到叶子和花朵。

然而，当前的3D成像过程受到耗时的样品制备和成像深度的限制，通常只能到达植物组织内的几层细胞。由唐纳德丹佛斯植物科学中心助理成员ChristopherTopp博士和他实验室的研究科学家KeithDuncan领导的新研究开创了X射线显微镜技术对植物细胞、整个组织甚至具有细胞分辨率的前所未有的深度器官。这项工作得到了ValentBioSciencesLLC和住友化学公司的支持，最近发表在科学杂志PlantPhysiology上。这项工作将使全球植物科学家能够以革命性的清晰度研究地上和地下特征。

“这篇论文的重点是多尺度，”通讯作者克里斯托普说，“因为植物是多尺度的。玉米穗开始时是一组称为分生组织的微观细胞。分生组织细胞最终将形成玉米植株的所有可见部分通过分裂和成长。”他们改进的3DX射线显微镜(XRM)技术使研究人员能够将植物的发育微观结构(例如分生组织细胞)与成熟时的可见特征(例如叶子和花朵)联系起来。换句话说，3DXRM提供了整个植物器官和组织的细胞级分辨率。

此外，他们的XRM方法还可以以出色的分辨率对地下结构进行成像，包括根、真菌和其他微生物。“植物根部驱动了许多重要的生物过程;它们以土壤中的微生物为食，作为回报，植物获得磷和氮，”托普解释说。“我们知道根和微生物之间的相互作用很重要，因为在我们发明化肥之前，它是磷和氮的主要来源。”我们对化肥的依赖反过来，标准农业实践对全球气候变化做出了重大贡献。“在过去的100年里，所有生物可利用的氮中有一半是在工厂生产的，”托普继续说道。“据估计，这一过程每年会使用地球上所有可用能源的3%，并产生地球上3%的温室气体排放。”因此，可持续农业运动的一个关键组成部分包括减少化学投入，并促进根系与地下微生物之间的自然相互作用。“直到最近，我们才拥有了解这些相互作用的工具，”托普说。“3DXRM可以帮助释放在我们的农业系统中重新建立这些自然联盟的潜力。”

与植物生物学中的其他成像方法相比，3DXRM方法是独一无二的，因为它能够产生基本完美的植物结构3D清晰度。其他常见的方法，例如基于光子的断层扫描，受到浅成像深度的限制，并在选定的少数植物物种中进行了优化。相比之下，通过使用3DXRM，由Topp和Duncan领导的团队能够对包括玉米、谷子、大豆、画眉草在内的一系列具有重要经济意义的作物的“厚组织进行成像，这些组织对典型的光学方法是不适应的”，和葡萄。“这篇论文首次展示了3DXRM的功能范围，”Topp指出。

该论文的一个主要目标是为其他对3DXRM成像感兴趣的植物科学家建立一个可重复的协议。为此，主要作者KeithDuncan花费了大量时间和反复试验来准备样品以优化植物与其背景之间的对比度。X射线成像通过差分吸收工作，其中致密的物质(如土壤中的矿物质)吸收更多的X射线并在图像上显示更暗。然而，植物组织等生物物质的X射线吸收率较低，该团队面临着完全洗掉他们感兴趣的成像材料的风险。“为一种样本解决这个问题——比如根尖——是一回事，”托普解释说，“但这篇论文的想法是让研究各种相关植物组织和物种的植物科学家能够使用这些方法.

KeithDuncan继续领导Topp实验室与ValentBiosciences和SumitomoChemical的合作，专注于提高3DXRM功能。他经常与丹佛斯中心高级生物成像实验室主任KirkCzymmek博士合作，他也是该论文的作者。

下一步是对土壤中真菌网络的3D结构进行成像。这项工作的一部分包括改进机器学习方法，例如训练计算机识别图像中的根、土壤或孢子(真菌的生殖细胞)。他们的工作将继续开发新的技术方法，以提高我们对“整个植物”从微观到可见的多尺度理解。