X射线成像技术在根系-土壤相互作用研究中的应用

### X射线成像技术在根系 - 土壤相互作用研究中的应用 #### 1. 引言 植物根系在生长过程中会与土壤及其结构在不同的时空尺度上发生相互作用，从而适应局部环境。影响根系发育和根系结构（RSA）的因素众多，包括物理、生物和化学因素，如水分胁迫、机械阻抗、孔隙连通性、孔隙率以及氮素有效性等。由于这些因素的影响，人工土壤（如凝胶介质和过筛土壤）中的根系生长与未扰动土壤中的根系生长存在显著差异。 X射线计算机断层扫描（X射线CT）和X射线同步辐射断层扫描（SR - CT）具有非侵入性的优势，能够在生物相关的亚毫米尺度上表征根系结构以及植物与土壤的相互作用。近年来，X射线CT为研究RSA和根际过程提供了新的可能性。 #### 2. 发展概况与局限性 - **发展历程**：20世纪80年代，X射线CT开始在植物研究中得到应用。早期的成像方法分辨率较低，边缘长度超过1毫米。随着工业扫描仪系统的发展，分辨率逐渐提高，如今已能扫描和分割小麦等细根系统。 - **现状与问题**：近年来，使用X射线CT进行根系研究的数量显著增加，图像分辨率也有了很大提高。目前，植物实验的平均柱体直径约为6厘米，分辨率约为30 - 40微米。然而，由于成像伪影的影响，直径接近图像分辨率的细根往往难以准确分割。不过，新的图像分析协议和高效的扫描成像协议在一定程度上解决了这些问题，使X射线CT能够在三维空间中以微米分辨率非侵入性地可视化不同植物的整个根系以及根际过程。 #### 3. X射线剂量的影响 在X射线CT分析过程中，植物及其周围土壤会受到电离辐射的影响。不同植物对X射线剂量的反应不同，例如蚕豆对X射线剂量反应敏感，根系长度缩短，侧根生长受限；而大麦则不受影响。土壤类型和柱体直径等因素也会影响根系所接受的辐射剂量。目前，尚无明确的X射线剂量阈值，对于新植物进行不同能量和扫描时间的预实验可能会有所帮助。使用铅屏蔽可以显著降低植物地上部分所接受的剂量，从而减少对根系生长的潜在影响。 #### 4. 原位实时研究的机会 X射线CT在根系和根际研究中的独特优势在于它不仅可以进行三维根系结构可视化，还能实现四维（即随时间变化）研究。这使得研究人员能够观察同一植物根系在特定时间点的行为，以及不同类型根系的发育过程，并将其功能与年龄联系起来。然而，重复测量会增加植物所接受的X射线剂量。此前的研究已利用这种四维分析方法解决了许多研究问题，如根系腐烂、根系与颗粒肥料的相互作用以及干旱期间根系的收缩和接触损失等。 #### 5. 根系分割方法 根系分割是X射线CT分析中的关键步骤，其目的是将图像体素分为根系体素和土壤基质体素。以下是几种常见的分割方法： |方法|原理|优点|缺点|适用范围| | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | |基于衰减密度的简单阈值法|通过设置灰度值阈值进行分割|速度快|由于根系与水或其他有机物质的衰减相似，以及部分体积效应，容易导致大量误分类|早期研究，对分割精度要求不高的情况| |区域生长法|基于根系的连通性，从手动设置的种子点或区域开始，根据预定义的相似性标准添加相邻体素|适用于大多数根系系统|半自动化，需要大量用户交互，耗时|小麦、油菜、番茄、豌豆等多种植物根系| |滞后阈值法|使