农业科学的发展依赖于高效、精准的检测技术，以优化作物生长环境、提高种子质量、改良农作物品种。传统的农业检测方法，如光学显微镜、石蜡切片、激光共聚焦显微镜等，往往局限于二维成像，且检测过程耗时费力，难以全面呈现作物的内部结构。

显微CT（Micro-CT）技术作为一种高分辨率、非破坏性的三维成像手段，在农业研究中展现出巨大的潜力。该技术利用 X 射线穿透样品并获取各个角度的投影数据，通过计算机重建获得三维结构信息，为作物内部结构、种子质量检测、根系研究、害虫检测等提供了前所未有的分析能力。

Chapter.1  为什么农业研究需要显微CT？

01  显微CT的基本原理

显微 CT 技术的核心是 X 射线断层扫描成像，它通过以下几个步骤获取三维结构信息：

• X 射线投射：X 射线穿透样品并被不同密度的组织吸收，形成不同的衰减信息。

• 多角度扫描：样品在旋转台上进行 360° 旋转，采集多个角度的投影图像。

• 图像重建：利用数学算法（如滤波反投影法、代数重建法）将二维投影数据计算为三维体数据。

• 三维可视化：生成高分辨率的三维图像，可进行体积、密度、孔隙率等定量分析。

02  显微CT的技术优势

相比传统农业检测手段，显微 CT 技术具备以下优势：

• 无损检测：可在不破坏样品的前提下获取内部结构信息，避免样品处理过程中可能产生的误差。

• 高分辨率成像：可达到微米级甚至纳米级分辨率，能够识别种子胚胎、根系分布等精细结构。

• 多层次信息获取：

  1.结构信息：植物的茎秆维管束、叶片结构、果实和种子内部结构等

  2.密度信息：作物内部的密度信息，用于评估种子质量

  3.三维模型：有限元分析、3D打印等

Chapter.2  显微CT在农业研究中的应用

应用一  作物内部结构分析

显微 CT 技术能够无损地获取植物内部结构的高分辨率三维图像，这对于研究植物的茎秆维管束、叶片结构、果实和种子内部结构等具有重要意义。通过显微 CT 技术，研究人员可以详细观察植物内部结构的微观特征，从而更好地理解植物的生长、发育和适应性。

✦ 植物茎秆维管束研究

显微 CT 技术可以精确地揭示作物茎秆中的维管束分布、形态和结构特征，为作物的遗传解析、抗倒伏性评估、高通量表型数据获取以及数据库构建等方面提供了强有力的工具。使用 Neoscan N80 高分辨显微 CT 以 5μm 像素大小提取玉米维管束网络， 获取三维模型，模拟水分运输和力学支撑。

使用 Neoscan N80 高分辨显微 CT 以 1.5μm 像素大小扫描花药，内部结构清晰可见。

应用二  种子质量检测与筛选

01  水稻种子垩白率检测

水稻种子的垩白现象（指胚乳部分出现白色不透明区域）会影响大米的品质及口感。文献【1】研究表明，显微 CT 可对水稻种子进行三维扫描，计算垩白率和种子颗粒尺寸，从而提高水稻育种效率。

图片源于文献【1】。稻米垩白的形状和位置。白腹（X220）、白核（X226）、白全（香早仙）和白背（X191）垩白精米；分别具有白腹（b）、白核（c）、白全（d）和白背（e）垩白的精米的横截面图像、重建的3D稻米图像和重建的3D垩白图像。红色箭头所示的深色区域代表稻米垩白的位置。

图片源于文献【1】。利用微型CT三维重建结合Chalkines2.0软件自动计算垩白率和稻米粒径。a在Chalkiness 2.0软件中导入珍汕97B精米的扫描图像，对稻米颗粒和垩白度进行自动区域化；b自动计算垩白度相关参数，并将测试报告导出到Excel格式文件中；c基于显微CT三维重建结合Chalkines 2.0软件自动计算垩白率的图形概述。d重建最大截面附近的20个截面，并生成平面图像；e将平面图像导入Chalkines 2.0进行粒度评估；f将定量结果导出到Excel文件中。这些值表示相对长度和宽度。

02  大米内部结构分析

使用 Neoscan N80 高分辨显微 CT 以 1.2μm 像素大小扫描大米，内部胚、胚芽、胚根、胚心、胚乳、盾片、谷壳等结构清晰可见。一次扫描多相数据，内部细节尽收眼底。

03  玉米种子机械损伤评估

在农业生产和物流运输过程中，种子容易受到机械损伤。显微 CT 可用于评估机械损伤、昆虫造成的损伤、胚异常以及由生物、非生物制剂引起的种子的其他形态变化。研究表明，受到损伤的种子，其发芽率和生长质量明显下降【2】。

图片源于文献【2】。通过显微 CT 扫描玉米种子，机械损伤的种子产生的幼苗长度比未损伤种子平均短 24%，干物质量比未损伤种子低 65%。研究发现。胚乳冠状面受损面积 与 苗长短 和 干物质量 直接相关。

使用 NEOSCAN 高分辨率显微CT 以 8μm 像素大小扫描干燥玉米粒，可清晰展示玉米种子内部子叶、胚芽、胚轴、胚根、 胚乳、种皮结构，帮助评估种子质量。

04  番茄种子萌发能力预测

利用显微 CT 技术可以分析番茄种子的内部结构，如胚乳、胚根及孔隙分布，可用于预测其发芽率和生长能力。研究表明，种子内部孔隙率较高（自由空间增加）通常与较低的萌发率相关【3】。

图片源于文献【3】。图片展示了如何通过3D形态学来预测番茄种子的发芽潜力以及不同发芽状态的种子图像。A）严重变形的胚胎，B) 轻微变形的胚胎，C) 严重缩小的胚乳，D) 侧向弯曲的子叶，即垂直方向 种子横切面，E）反折子叶，即种子内的一个或两个子叶急剧反折，F）胚乳中的孔，G）子叶中的裂缝，N）正常种子结构。发芽测试结果示例：正常幼苗、异常幼苗、死亡种子、未发芽种子。

使用 Neoscan N80 高分辨显微CT以 1.8μm 像素大小扫描番茄种子表面及内部结构，二维和三维结构参数可测量，表皮、胚、胚乳、内部孔隙裂缝的体积分数可计算并能通过体绘制直观展示。

应用三  植物根系结构分析：无需洗根，原位表征

植物根系是植物获得水分和养分的主要机制。通过表征根系，人们可以了解植物表型，以帮助培育具有更有效水分和养分捕获的植物。传统的根系表征可能很繁琐，包括需要从土壤中挖取植物，并清洗根系。而显微 CT 技术来表征根系结构，无需进行清洗，可以进行原位表征根系结构。

使用 Neoscan N80 高分辨显微 CT 以 20μm 像素大小扫描水稻根系，分析根系的分布、直径、分叉结构及体积密度，帮助育种专家筛选高效吸水和耐旱品种。

图片源于文献【4】。(A) 番茄根木质部结构（红色）的形态；可能会发生严重的栓塞，影响水的运输。(B) 番茄叶柄中脉管系统的细胞结构影响水分和叶子的同化通量。(C) 叶子结构决定 CO2 和 H2O 的运输。(D) 番茄种子结构影响种子萌发。(E) 番茄细胞和细胞间隙的形状和大小影响成熟过程中的呼吸气体交换。对于每个图 (A–E)，给出了原始 X 射线显微 CT 横截面以及渲染的 3D 图像。

应用四  病虫害防治

显微 CT 技术可以帮助研究人员在不破坏样品的情况下，用于检测储粮害虫、果实内部害虫及植株内寄生虫的生长情况，帮助制定精准防治措施。

咖啡果小蠹是一种影响咖啡豆质量的害虫，使用 Neoscan N80 高分辨显微 CT 以 980 nm像素大小扫描，可无损成像其生长位置、取食模式及侵害程度，为咖啡种植业提供有效的虫害管理方案。

Chapter.3  总结与展望

显微 CT 技术作为一种先进的三维成像技术，在农业领域的应用前景广阔。它为农业生产、作物改良和植物科学研究提供了一种新的视角和方法。随着技术的不断发展和完善，显微 CT 技术将在农业领域发挥越来越重要的作用。