“这篇论文关注的是多尺度，”通讯作者Chris Topp说，“因为植物是多尺度的。玉米穗最初是由一群叫做分生组织的微小细胞组成的。分生组织细胞通过分裂和生长最终形成玉米植株的所有可见部分。”他们改进的3D x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(如分生组织细胞)与它们成熟时的可见特征(如叶子和花朵)联系起来。换句话说，3D XRM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方法还可以以极高的分辨率成像地下结构，包括根、真菌和其他微生物。“植物的根驱动着许多重要的生物过程;它们喂养土壤中的微生物，作为回报，植物得到磷和氮，”Topp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。”我们在标准农业操作中对化肥的依赖反过来又对全球气候变化做出了重大贡献。Topp继续说:“过去100年里，有一半的生物可利用氮是在工厂里制造出来的。”“据估计，这一过程每年消耗地球上3%的可用能源，产生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，而是促进根系和地下微生物之间的自然互动。“直到最近，我们才有工具来理解这些交互作用，”Topp说。“3D XRM可以帮助释放在我们的农业系统中重建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，3D XRM方法是独特的，因为它能够产生本质上完美的植物结构的3D清晰度。其他常见的方法，如基于光子的层析成像，受到浅成像深度的限制，并且只对少数几种植物进行了优化。相反，通过使用3D XRM，由Topp和Duncan领导的团队能够对包括玉米、谷子、大豆、画皮草和葡萄在内的重要经济作物中的“厚组织难以用典型的光学方法进行成像”。Topp指出:“这篇论文首次展示了3D XRM所能做到的广度。”

本文的一个主要目标是为其他对3D XRM成像感兴趣的植物科学家建立可复制的协议。为此，第一作者基斯·邓肯(Keith Duncan)花了大量时间——以及反复试验——准备样本，以优化植物与其背景之间的对比。x射线成像是通过微分吸收进行的，密度大的物质(比如土壤中的矿物质)吸收了更多的x射线，在图像上显示的颜色更深。然而，像植物组织这样的生物物质的x射线吸收很低，研究小组面临着完全洗掉他们感兴趣的成像材料的风险。Topp解释说:“为一种样本——比如根尖——解决这个问题是一回事，但这篇论文的想法是为研究各种相关植物组织和物种的植物科学家提供使用这些方法的途径。我们希望将3D XRM广泛应用于地上和地下的植物系统。”因此，他们发表的方法极大地提高了植物种类的数量和植物组织的类型，从而可以以近乎完美的分辨率成像。

Keith Duncan继续领导Topp实验室与价生物科学和住友化学的合作伙伴关系，专注于改善3D XRM能力。他经常与丹佛斯中心高级生物成像实验室主任Kirk Czymmek博士合作，后者也是这篇论文的作者之一。

下一步是对土壤中真菌网络的三维结构进行成像。这项工作的一部分包括改进机器学习方法，比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”的多尺度理解，从微观到可见。

Journal Reference:

1. Keith E Duncan, Kirk J Czymmek, Ni Jiang, August C Thies, Christopher N Topp. X-ray microscopy enables multiscale high-resolution 3D imaging of plant cells, tissues, and organs. Plant Physiology, 2021; DOI: 10.1093/plphys/kiab405 2021).