用X射线计算机层析成像技术进行种子和果实形态特征的高通量表型（一）

摘要

传统的种子和果实表型鉴定主要是通过人工测量或从二维图像中提取形态特征来完成的。这些方法不仅吞吐量低，而且无法采集其三维(3D)特征和内部形态。X射线计算机断层扫描(CT)提供了一种方便的非破坏性记录种子和果实外部和内部3D结构的方法，为克服这些限制提供了可能性。然而，目前的CT设备不能对种子和水果进行高通量扫描。而且目前还没有专门的软件可以从CT图像中自动提取表型。在这里，我们介绍了一种高通量图像采集方法，将一个特殊设计的种子-水果容器安装在扫描床上。建立了相应的三维图像分析软件3DPheno-Seed&Fruit，对种子和果实内外隔室的8种形态表型进行了自动分割和快速量化。3DPhenoSeed&Fruit是一款图形用户界面设计和界面友好的软件，具有出色的表型结果可视化功能。基于对大豆、小麦、花生、松子、开心果和矮生杏仁种子的CT图像分析，我们对该软件进行了详细的描述和基准测试。对于大豆和小麦，提取的种子长度、宽度、厚度和半径的R2值与手动测量的R2值之间的范围为0.80到0.96。大豆的2D(长度、宽度、厚度和半径)与3D(体积和表面积)表型之间存在高度相关。总体而言，我们的方法为不同植物物种的形态种子和果实性状的表型鉴定提供了稳健和新颖的工具，这可能有助于作物育种和功能基因组学。

材料和方法

X射线CT成像

为了一次扫描多个种子和水果，我们在X射线CT扫描仪的装载传送带上安装了一个带有多个子盒的塑料容器。子盒的大小可调，可以将不同大小的种子和水果紧紧地夹在一起，扫描时不会移动位置。集装箱使用X射线微CT扫描系统AL-μCT-9002(中国辽宁丹东奥龙辐射仪器集团有限公司)和所提供的软件进行捕获。CT扫描仪的焦距为5μm，有效面积为120 mm×120mm，电压为100kV，电流为20μA。螺旋扫描采用快速连续扫描方式，移动高度可达200 mm。容器沿顺时针方向旋转。CT图像重建采用在MiHitect v1.0软件(丹东奥隆辐射仪)中集成的Feldkamp型(FDK)。输出图像以BIN格式沿z方向逐层保存，最终分辨率为0.1 mm(1024×1024)。

3DPheno-Seed&Fruit：提取种子/果实形态表型

我们开发了一个软件3DPheno-Seed&Fruit，用于从CT图像分析中提取种子/水果的形态特征，并对最终结果进行复杂的可视化和用户交互。3DPheno-Seed&Fruit是一款高通量的CT图像分析软件，可用于从3D图像中提取种子/水果的八个形态特征(长、宽、厚、半径、表面积、体积、紧实度和球度)。它分析存储在特定文件夹中的X射线CT图像。对于CT切片的所有输入，3D Pheno-Seed&Fruit软件会自动将它们沿z方向堆叠起来，形成3D图像，并均衡所有输入的图像强度，以将图像噪声降至最低。用户定义的强度阈值参数用于在扫描过程中移除装有种子和果实的容器。然后，该软件可以使用“ExternalPheno”插件自动分割种子/果实，并分别测量它们的外部形态表型。通过提取内部成分的形态特征，如提取籽粒体积等，区域生长函数用于内部成分的分割，进而提取其8个形态特征。分割结果是单个种子/果实的CT图像，自动以PNG(便携 络图形)格式导出，同时将表型结果导出为CSV(逗 分隔值)文件。分别为接口的。3D视窗中选中的单个种子/果实的颜色和透明度可以根据最终用户的目的进行调整，这些功能可以在界面的右下角找到（图1）。