玉米莖稈Micro-CT掃描樣品及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及玉米莖桿Micro-CT掃描樣品及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]玉米是近年來中國主要糧食作物中面積和產(chǎn)量增加最快的作物，在中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。據(jù)中國國家統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2014年中國玉米產(chǎn)量為2.1567億噸，比上年的2.18億噸減少1%，原因由于部分玉米產(chǎn)區(qū)出現(xiàn)干旱。我國是一個水資源相對貧乏的國家，在玉米生產(chǎn)中，有2/3的玉米面積沒有灌溉條件，同時受溫室效應(yīng)、自然災(zāi)害的影響，水資源短缺的矛盾越來越突出，玉米受旱成為制約玉米產(chǎn)量的重要因素，給我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大威脅，對我國的作物產(chǎn)量穩(wěn)定性造成巨大挑戰(zhàn)。長期以來，玉米抗旱一直是作物研究的難點和重點。
[0003]貫穿禾本科作物整株的維管束系統(tǒng)是其關(guān)鍵的輸導(dǎo)組織，維管束散生分布是禾本科作物的共同特點。維管束主要分為韌皮部和木質(zhì)部，前者包括篩管和伴胞，主要負責(zé)溶解狀態(tài)的同化物運輸;后者以導(dǎo)管為主，負責(zé)運輸水分和無機鹽類。玉米是維管束系統(tǒng)發(fā)達、受維管束差異變化影響較大的作物。已有大量研究表明，源-流-庫系統(tǒng)的差異是影響玉米品種生理特點、產(chǎn)量結(jié)構(gòu)和抗性性能的重要因素之一，特別是近些年對“流”的研究日趨得到重視。莖桿維管束是玉米水分、養(yǎng)分運輸?shù)闹匾ǖ溃瑫r也是植株的支持系統(tǒng);維管束的表型性狀與玉米的生理功能息息相關(guān)，決定了一個品種的地域適應(yīng)性和生物適應(yīng)性，對玉米的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)起著重要作用。目前，有關(guān)于玉米莖桿解剖結(jié)構(gòu)的研究主要是借助顯微與超顯微技術(shù)獲得莖桿某一部位的顯微信息，通過人工測量，分析其形態(tài)結(jié)構(gòu)與運輸能力、抗旱節(jié)水之間的關(guān)系；所獲得的圖像均為二維圖像，由于二維圖像及玉米莖桿非均勻性的影響，利用現(xiàn)有的二維顯微圖像與計算機軟件實現(xiàn)玉米組織結(jié)構(gòu)的體素結(jié)構(gòu)形態(tài)、密度、空間分布及維管束連接等分析存在較大困難。因此，研究高質(zhì)量獲取玉米莖桿的CT掃描圖像，探究莖桿組織的幾何信息和結(jié)構(gòu)信息，建立玉米維管束多尺度幾何模型及水分運輸動力學(xué)模型，不僅對玉米水分利用效率評價、抗旱性品種篩選具有重要意義，還將為提高作物水分利用效率，實現(xiàn)節(jié)水農(nóng)業(yè)提供重要的理論依據(jù)。
[0004]目前為止，未見在玉米莖桿Micro-CT掃描的相關(guān)報道?，F(xiàn)有技術(shù)報道了Micro-CT與同步加速器相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了蕨類植物、紅杉木質(zhì)部的三維重建與水分運輸功能研究，按照現(xiàn)有技術(shù)獲得玉米莖桿的CT圖像需要較高的試驗成本，另外玉米莖桿鮮樣掃描過程中組織容易失水變形，掃描效果不穩(wěn)定，無法高質(zhì)量地獲得莖桿組織結(jié)構(gòu)的CT圖像及三維信息，因而無法實現(xiàn)玉米維管束多尺度幾何模型及水分運輸動力學(xué)模型的構(gòu)建。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種制備玉米莖桿Micro-CT掃描樣品的方法。本發(fā)明提供的方法，分別對玉米莖桿材料的固定、脫水、干燥條件進行優(yōu)化，通過優(yōu)化材料樣本體積、優(yōu)化固定和脫水方案、引入CO2臨界點干燥，制備適用于Micro-CT掃描的莖桿樣本，獲得玉米莖桿Micro-CT掃描的高質(zhì)量圖像。
[0006]本發(fā)明所述Micro_CT(micro computed tomography，微計算機斷層掃描技術(shù))，又稱微型CT、顯微CT。
[0007]具體而言，本發(fā)明提供了一種制備玉米莖桿Micro-CT掃描樣品的方法，包括以下步驟:取新鮮玉米莖桿，切割成厚0.5?2.0cm的樣本塊，在FAA固定液中固定3天以上，梯度脫水，C02臨界點干燥，即得。
[0008]本發(fā)明所述切割時可使用手術(shù)刀片，并保證樣本材料的完整性，避免材料出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。本發(fā)明經(jīng)過反復(fù)試驗研究發(fā)現(xiàn)，樣本塊厚度為0.5?1.0cm、優(yōu)選為0.8?1.0cm，經(jīng)過固定、脫水、干燥后，獲得的Micro-CT掃描圖像效果最佳，維管束輪廓清晰、明亮，圖像質(zhì)量高。若材料過薄或過厚均會影響后期的CT掃描結(jié)果，材料過薄，后期CT掃描圖像分辨率較低、圖像不清晰;若材料過厚，則難以徹底干燥，導(dǎo)致CT掃描圖像中部維管束輪廓不清晰、圖像噪點高等問題出現(xiàn)。
[0009]本發(fā)明所述FAA固定液的配方優(yōu)選為無水乙醇:甲醛:冰醋酸= 95:5:5。樣本在FAA固定液中固定的時間應(yīng)不少于3d，優(yōu)選為3?4天。雖然固定時間延長對材料后期CT掃描沒有明顯影響，但固定時間過短容易導(dǎo)致樣品在后期的步驟中發(fā)生形變，樣本一旦發(fā)生形變則難以獲得完整的莖桿CT掃描圖像。
[0010]本發(fā)明所述脫水優(yōu)選為酒精梯度脫水;具體為:30 %酒精脫水20min—30 %酒精脫水lOmin—50%酒精脫水20min—50%酒精脫水lOmin—75%酒精脫水20min—75%酒精脫水lOmin—85%酒精脫水20min—85%酒精脫水lOmin—95%酒精脫水20min—95%酒精脫水 lOmin—100% 酒精脫水 20min。
[0011]本發(fā)明所述干燥優(yōu)選為二氧化碳臨界點干燥。將100%酒精中的樣品轉(zhuǎn)移至二氧化碳臨界點干燥儀的樣品池中，轉(zhuǎn)移過程中要保證樣品始終處于100%酒精的環(huán)境中，避免接觸空氣。
[0012]作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述方法包括以下具體步驟:
[0013](I)取位于第6節(jié)節(jié)間、穗位節(jié)節(jié)間或/和頂位節(jié)節(jié)間新鮮玉米莖桿，蒸餾水沖洗干凈，用手術(shù)刀沿相同方向切割成厚度0.8?1.0cm的樣本塊；
[0014](2)按照無水乙醇、甲醛、冰醋酸的體積比為95: 5:5配置FAA固定液，將步驟(I)所得樣本塊放入所述FAA固定液中，固定3?4天；
[0015](3)將樣本塊從固定液中取出，用蒸餾水沖洗干凈，按照以下程序進行酒精梯度脫水:30% 酒精，20min—30% 酒精，lOmin—50% 酒精，20min—50% 酒精，lOmin—75% 酒精，20min—75% 酒精，lOmin—85% 酒精，20min—85%酒精，lOmin—95% 酒精，20min—95%酒精，lOmin—100%酒精，lOmin—100%酒精保存；
[0016](4)將樣本塊從100%酒精中取出，在避免接觸空氣的條件下轉(zhuǎn)移至二氧化碳臨界點干燥儀，充分干燥，即可。
[0017]本發(fā)明所述臨界點干燥程序優(yōu)選為:CO2進入速度為中速，設(shè)置雙層濾片，CO2充入后延遲120s進入循環(huán)，交換速率為6，總共進行12個循環(huán)，最后，中等速度加熱，完成干燥。
[0018]本發(fā)明還保護所述方法制備得到的樣品。
[0019]本發(fā)明進一步保護所述樣品在獲取玉米莖桿Micro-CT掃描信息中的應(yīng)用。
[0020]具體而言，將本發(fā)明所述方法制備而成的樣品，置于參數(shù)為2K模式、電壓40kV，電流250μΑ的Micro-CT掃描儀(型號可選用Bruker 1712Micro_CT)中進行掃描，即可獲得清晰的玉米莖桿圖像。
[0021]本發(fā)明通過探究玉米莖桿Micro-CT掃描的樣品制備方法，經(jīng)過固定、脫水、干燥相關(guān)流程，既保證材料不發(fā)生形變，又實現(xiàn)樣品脫水干燥，使樣品密度差異增加，成功制備了玉米莖桿樣本，Mi cro-CT掃描后獲得莖桿維管束輪廓清晰、明亮，質(zhì)量高的CT圖像。本發(fā)明方法獲得的CT掃描圖像，可直接用于維管束三維重建獲得維管束的幾何信息和結(jié)構(gòu)信息，對實現(xiàn)玉米維管束多尺度幾何模型及水分運輸動力學(xué)模型的構(gòu)建具有重要意義。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明方法制備的不同玉米莖桿節(jié)位樣本Micro-CT掃描圖像，A是玉米莖桿第6節(jié)節(jié)間CT掃描圖，B是玉米莖桿穗位節(jié)節(jié)間CT掃描圖，C是玉米莖桿頂位節(jié)節(jié)間CT掃描圖。