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利用X射线CT技术研究根系三维构型的进展.pdf
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1、利利用用 X 射射线线 CT 技术研究根系三维构型的进展技术研究根系三维构型的进展刘玲玲1,房焕2,魏晓庆1,刘玉婷1,高伟达1,李保国1,周虎1*(1中国农业大学土地科学与技术学院/农业农村部华北耕地保育重点实验室,北京 100193;2河海大学农业科学与工程学院,江苏南京210098)摘要:【目的目的】X 射线 CT 扫描具有非破坏性、高分辨率等特点,近年来被广泛应用于研究植物根系三维构型。本文介绍了 X 射线 CT 技术研究植物根系的原理和方法,并重点阐述了 CT 图像提取和定量根系的方法。【主主要进展要进展】X 射线 CT 可以穿透土体进而获取土体三维结构,并能通过图像分析准确定量土体
2、内部的细节特征(如根系、孔隙等)。目前根系结构研究中应用的 CT 主要有医用 CT、工业显微 CT、同步辐射 CT 等,分别用于研究不同大小和分辨率要求的样品。应用 CT 扫描根系样品时,样品的制备和扫描参数的选择非常重要,样品的尺寸、容器的材质、扫描功率和扫描时长等因素都会影响 CT 图像质量。CT 图像中提取根系的方法包括全局阈值法、区域生长法、根系追踪法、深度学习法等,结合图像预处理和后处理能更完整地提取根系。利用ImageJ、Rootrak、RooTh 等软件,可以定量根系形态学参数(体积、根长、直径等),还可以分析根系三维分布特征(根系生长角度、根系生长深度等)。【展望展望】从 CT
3、 图像中提取根系的算法在实际应用中仍存在很多问题,开发提取根系的先进算法,准确获取根系三维构型并将其定量表征,仍将是 CT 技术用于根系研究的重要方向。由于 CT 设备性能的特点,扫描样品尺寸和图像分辨率的矛盾仍然是关键问题,X 射线 CT 硬件设备的创新和发展对其在根系研究中更加广泛和有效的应用具有重要意义。关键词:根系三维构型;X 射线 CT;图像分割;根系定量化Research advances on using X-ray CT in the study of 3-D root architectureLIULing-ling1,FANGHuan2,WEIXiao-qing1,LIUY
4、u-ting1,GAOWei-da1,LIBao-guo1,ZHOUHu1*(1 College of Land Science and Technology,China Agricultural University/Key Laboratory of Arable Land Conservation in NorthChina,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Beijing100193,China;2 College of Agricultural Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu
5、210098,China)Abstract:【Objectives】X-rayCTscanning,withnon-destructive,andhigh-resolutioncharacteristics,hasbeenwidelyusedinthestudyofthethree-dimensionalrootarchitectureinrecentyears.ThisarticleintroducedtheprinciplesandmethodsofusingX-rayCTtechnologytostudyplantrootsystems,withafocusontheextraction
6、andquantitativeanalysisofrootarchitecturefromCTimages.【Main advances】X-rayCTcanpenetratesoiltoobtainathree-dimensionalsoilstructure,andaccuratelyquantifyinternalfeaturessuchasrootsandpores.TheCTinstrumentappliedinrootstructureresearchincludemedicalCT,industrialmicro-CT,andsynchrotronCT,dependingonsa
7、mplesizesandresolutionrequirements.ThepreparationofsamplesandtheselectionofscanningparametersarecrucialfordistinctCTscanning.Factorssuchassamplesize,containermaterial,scanningpower,andscanningdurationallaffectthequalityofCTimages.MethodsforextractingrootarchitecturefromCTimagesincludeglobalthreshold
8、ing,regiongrowing,roottracking,anddeeplearning.Combiningimagepre-processingandpost-processingwillhelpextractingrootsmorecompletely.SoftwaresuchasImageJ,Rootrak,andRooThhavebeenusedtoquantitativelyanalyzemorphologicalparametersofrootsystems(volume,length,diameter,etc.),andanalyzethethree-dimensionalc
9、haracteristicsofrootsystems(growthangle,rootdepth,etc.).植物营养与肥料学报2024,30(2):375384doi:10.11674/zwyf.2023389JournalofPlantNutritionandFertilizershttp:/www.plantnutrifert.org收稿日期:20230904接受日期:20240104基金项目:国家自然科学基金项目(42277305,41877022)。联系方式:刘玲玲E-mail:;*通信作者周虎E-mail:【Outlook】Developingadvancedalgorithms
10、forentirerootextractionandquantitativecharacterizationofthethree-dimensionalrootarchitectureremainsacrucialdirectionforrootarchitectureresearchbyuseofCTtechnology.DuetothecharacteristicsofCTsystemperformance,thecontradictionbetweensamplesizeandimageresolutionstillisakeyissue.Theinnovationanddevelopm
11、entofX-rayCThardwareareofgreatsignificanceforitswiderandmoreeffectiveapplicationinrootarchitectureresearch.Key words:3-Drootarchitecture;X-rayCT;imagesegmentation;rootquantization根系是植物在土壤中吸收养分、水分和氧气的重要器官,其对锚定植物地上部、改变植物抗倒伏有重要的作用1。根系对土壤环境具有高度适应性,当感知到土壤中的氧气、水分、养分、机械阻力等胁迫后,根系会及时作出响应,如改变生长角度2,增粗 3、深扎 4、向
12、孔隙生长 5 6 等以适应土壤环境的变化。同时,根系活动会影响其周围土壤的物理、化学和生物性质7。对根系三维构型的可视化与定量化研究有助于了解根系生长动态,认识植物对土壤环境的适应机制以及根系与土壤的相互作用。土壤是自然生态系统中植物根系生长的介质,由于土壤不透明且组成、结构复杂,研究其中生长的根系十分困难。很多研究中使用均质、透明的生长介质(凝胶8、琼脂9)来代替土壤,或者采用水培、砂培等方法来观察根系的构型。但是由于这些介质的性质与土壤存在较大差异,导致研究结果与实际情况可能存在较大差异。为了获取自然土壤中根系的结构,过去大多采用破坏性取样的方式,包括挖掘法10和根钻法1112等,结合图像
13、获取和分析来得到根系特征。这类方法虽简单易行,但耗时耗力,且容易对根系造成损伤,经常无法获取完整根系构型特征。Wu 等13在田间挖掘的同时,采用三维数字化仪结合图像处理在田间原位获得相对完整的玉米根系三维结构,能精细的获得玉米轴根特征,但无法捕获侧根、根毛等细根信息,且该方法费时费力。微根管法是一种非破坏性的原位观察植物根系的方法14,通过在土壤中装入玻璃管或塑料管,配置摄像系统,动态观察贴管壁根系(尤指细根)的生长、衰老、死亡及分解等过程,获得根系伸长率、根系密度、根表面积及根系数量等根系特征15。但微根管法只能获取根管周围根系的构型,是否能完全代表整株植物根系生长还存在疑问16。探地雷达法
14、17通过电磁波对土壤中具有不同介电常数物质的响应特征来实现对目标的探测,该方法主要用于研究大型植物根系,对细根探测灵敏度较低。非破坏性获取土壤中三维根系构型方法近年来得到了快速的发展,其中核磁共振成像(MRI)和 X射线断层成像(computetomgraphy,CT)可无损分析根系三维结构。核磁共振法18通过强磁场和射频场获取样品的 3D 数据集,然后通过图像分析将根系从土壤中提取出来。然而,土壤中顺磁性离子的存在会影响成像效果,从而不能分析植物的细根。X 射线CT 扫描是一种快速、无损、非破坏性研究土壤中根系三维构型的方法,被认为是打开土壤“黑箱”的钥匙,近年来在根系研究中得到了广泛的应用
15、7,1920。本文详细介绍了利用 X 射线 CT 技术研究植物根系的原理和方法,对 X 射线 CT 扫描的关键环节、参数设置、图像处理和分析的主要方法进行了总结,以期为根系构型相关研究提供参考。1 X 射线 CT 的基本原理及主要类型1.1 X 射线 CT 的基本原理X 射线穿透样品时能量会发生不同程度的衰减。当强度为 Io的 X 射线穿过厚度为 D 的某一均质物体后,射线强度由于物体的吸收和散射而衰减为I,并服从 Beer-Lambert 定律:I=I0exp(D)式中:为该物体的线性衰减系数,它取决于该物质的组成和密度。而当 X 射线穿过厚度为 D 的一组混合物质时,其衰减程度决定于光路内
16、每一离散点上物质的衰减系数。用探测器检测衰减后的投影信号并将其传输到计算机上。通过改变 X 射线穿透的角度,可以获取一组投影数据,通过重建算法可以计算出样品内每一个离散点的线性衰减系数,根据线性吸收系数的差异,可以区分样品内部不同物质的组成19。在土壤中,富含金属的颗粒对 X 射线的衰减作用最大,其次是石英砂、粘土矿物、有机质,最后是空气,即土壤孔隙。根系的灰度值介于土壤基质和土壤孔隙之间(图 1),且与土壤有机质的灰度值较接近,同时还受土壤含水量等因素的影响7。376植物营养与肥料学报30卷1.2 用于根系扫描研究的 X 射线 CT 主要类型根系构型研究中应用的 CT 主要包括医用 CT、工
17、业显微 CT 和同步辐射显微 CT 等类型。不同类型CT的 X射线类型、空间分辨率、适用范围等存在较大差异19(图 2)。医用 CT 的 X 射线源和探测器绕着被扫描的物体转动(图 2a),其锥形光束具有相对广泛的能量范围。医用 CT 优势在于可以在相对较短的时间内进行扫描,且能够扫描较大的样品。但医用 CT 研究根系的缺点是分辨率较低7。Lontoc-Roy 等21利用医用 CT扫描了萌发 5 天内的玉米根系,图像空间分辨率为0.12mm0.12mm0.1mm。Subramanian 等22利用医用 CT 扫描了生长 3 周的玉米根系,分辨率为 0.35mm0.35mm0.40mm。Han2
18、3扫描了生长 10 周的土豆根系,分辨率为 0.176mm0.176mm0.2mm。医用CT 可以扫描野外采集的原状大土柱。例如 Hu 等24对不同类型草地的土柱样品(直径 10cm,高 50cm)进行扫描,分析根系的特征,分辨率为 0.146mm0.146mm0.312mm。工业显微 CT 也是多色光源,X 射线源的能量范围较宽。在扫描时,X 射线源和探测器固定,被扫描的样品水平旋转(图 2b)。工业显微 CT 的分辨率范围较大,一般可以达到 10100m20,而且随着技术的不断发展,工业显微 CT 的分辨率还在提高。在根系结构研究中,工业显微 CT的应用最普遍,目前已用于研究玉米、水稻、小
19、麦、番茄等多种作物的根系20。不同类型工业显微 CT 可扫描样品的大小和分辨率不同,因而其可研究的作物以及作物根系的生长期范围也不相同。具体来说,小型的工业显微 CT 可扫描的样品尺寸较小,因此多用于研究作物苗期的根系2526。中型和大型的 CT 可扫描的样品尺寸较大,因此不仅能够研究苗期的根系,还可以研究不同生育期的根系。同步辐射显微 CT 的 X 射线束是一束能量范围很窄的射线。在扫描时,X 射线源和探测器固定,被扫描的样品水平旋转(图 2c)。同步辐射 CT 的优势在于扫描速度快,分辨率更高,其扫描样品的尺寸也较小,因此多用于研究细根对某些特定元素的吸400005000030000200
20、00100000050100150200250频率 Frequency孔隙Pore孔隙 Pore土壤Soil土壤 Soil根系Root根系 Root灰度值 Greyscale value(a)(b)图 1 土壤二维切片(a)及其灰度直方图(b)Fig.1 Two-dimensional soil slice(a)and greyscale histogram(b)(b)X-射线源X-ray source样品Sample探测器Detector(c)X-射线源X-ray source样品Sample探测器Detector(a)X-射线源X-ray source样品Sample探测器Detector
21、图 2 医用 CT(a)、工业显微 CT(b)和同步辐射CT(c)的原理图19Fig.2 Schematics of medical CT(a),industrialmicro-CT(b),and synchrotron CT(c)192期刘玲玲,等:利用 X 射线 CT 技术研究根系三维构型的进展377收2728,鲜用于研究根系整体构型。Kurogane 等29成功从同步辐射 CT 图像中分割出了拟南芥的根系。Aravena 等30利用同步辐射 CT 研究了根系压实对根际水力学特性的影响。此外,同步辐射 CT 在国内数量少,限制了其在根系结构研究方面的应用。2 样品准备、CT 扫描和图像重建
22、2.1 样品准备三维根系构型的定量化研究通常使用原状或填装的土柱样品,这些样品来自田间取样或室内培养试验,在田间取样或室内培养过程中需尽量减少对样品的扰动,以免破坏根系构型。土柱样品大小直接影响 CT 图像质量与分辨率3132。为了获取土壤样品中的根系整体结构,在CT 扫描过程中,X 射线需要穿透整个样品后在探测器上成像。土壤样品直径越大,扫描分辨率相应越低,样品内部细节信息损失越多。另外,样品直径越大,扫描过程中 X 射线衰减程度越大,需要调高X 射线的强度以保证探测器收集到足够的光子,从而保证成像质量。也有学者在不破坏样品的情况下,只对样品的感兴趣区域进行成像,从而获取更高的图像分辨率33
23、。因此,在样品采集和准备过程中,就应该考虑到 CT 扫描仪的要求和目标图像的分辨率需求。样品容器、土壤含水量、土壤质地和紧实度等因素也会影响图像质量和根系的可辨别程度。在田间取样或室内培养试验开始之前,需要选择合适的样品容器。选择时应注意以下两点:第一,在满足试验或取样要求的前提下,容器壁越薄,越有利于X 射线穿透样品;第二,避免使用金属容器,因为金属密度大,X 射线穿透时的衰减极强。研究者们大多数选择低密度的 PVC 或有机玻璃容器。土壤样品的含水量太高或土壤颗粒过于紧密会影响根系的对比度,增加后期根系分割的难度。Zappala 等34建议采样时土壤含水量应低于田间持水量。2.2 CT 扫描
24、和图像重建(以工业显微 CT 为例)在 CT 扫描过程中,土柱样品被固定在 X 射线源和探测器之间的样品台上,并随着样品台匀速旋转 360(同步辐射显微 CT 样品台旋转 180)。在此过程中,探测器采集若干张投影图。随后,通过重建算法将这些投影图重建为由二维切片组成的三维图像。图像重建的算法包括标准的背投影算法19、迭代重建算法和深度学习重建算法等35,其中,背投影算法因计算效率高而被广泛采用。CT 设备的物理性能和扫描参数设定是影响图像质量的重要因素。利用不同类型 CT、不同扫描参数和分辨率研究植物根系的一些示例见表 1。空间分辨率不仅由扫描样品的直径决定,还与 CT 设备的射线源和探测器
25、类型有关45。低空间分辨率会造成图像中细根信息的缺失,不利于研究细根与土壤微环境间的交互作用46。Mairhofer 等47对玉米根系样品和番茄根系样品分别以 25 和 48m 的分辨率进行成像,发现从低分辨率图像中提取到的玉米根系的表面积误差较大,且损失的侧根比番茄多。扫描电压的高低决定了 X 射线是否具有足够的能量穿透样品。能量过低会导致图像噪声多、对比度低,而能量过高同样会降低图像的对比度,增加了后续图像处理时提取根系的难度。扫描电流控制着 X 射线脉冲的强度,较大的电流可以提供更强的信号,有助于改善图像质量。射束硬化也是扫描过程中较常见的现象。射束硬化是由于连续能谱的 X 射线穿过样品
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