显微CT扫描在分析木栓病梨果实中的应用

【概述】

古人称梨为 “百果之宗”，九月金秋，天干物燥，梨是深受大家喜爱的水果。然而，功效甚多的梨也会生病，木栓病是梨果实中危害最大的生理病害之一，每年都会给果农造成相当大的经济损失。为此，青岛农业大学的崔振华、王南南等人在前人研究的基础上，借助三英精密的X射线显微CT（nanoVoxel-3000型），选用易患木栓病的“Akizuki”品种的梨果实，进行扫描分析，观测其各部分的微观结构，进一步阐明了健康和木栓病果实之间的果实质地变化，对木栓病的发生机制做了进一步的研究。

【实验/设备条件】

对健康梨果实和木栓病梨果实分别进行扫描分析，对比发现：健康梨果实表面光滑，木栓病梨果实表面有明显的塌陷凹坑，然而这些凹坑用肉眼观察并不明显。

 (A)健康梨果实  (B,C) 健康梨果实经X射线扫描后，分别用灰色和黄色渲染的结果  

(D) 木栓病梨果实  (E,F) 木栓病梨果实经X射线扫描后，分别用灰色和黄色渲染的结果

【实验/操作方法】

梨果实木栓斑点分布分析：

将健康梨果实和木栓病梨果实分别用番红溶液染色，发现纤维素（被番红染色的红点）在木栓病梨果实中的含量高于健康梨果实。再基于X射线CT扫描分析，观察两种梨果实的横切片和纵切片，木栓斑点（即更大和更强的毛孔）主要分布在靠近果皮的果肉和木栓病梨果实的花萼末端。进一步证实了X射线CT扫描对木栓病梨果实微观结构分析的可靠性。

 (A,B)分别为用番红溶液染色的健康梨果实的横切片和纵切片 (C,D)分别为用番红溶液染色的木栓病梨果实的横切片和纵切片 (E,F)分别为从X射线扫描数据中提取的健康梨果实的横切片和纵切片 (G,H)分别为从 X 射线CT扫描数据中提取的木栓病梨果实的横切片和纵切片

梨果实孔隙结构分析：

借助X射线显微CT技术，对比扫描后健康梨果实和木栓病梨果实的阈值数据，进行孔隙结构分析。结果表明：木栓病梨果实的孔隙率（9.37%）与健康梨果实的孔隙率（3.52%）差异显著。

(A,D)分别为健康梨果实和木栓病梨果实的孔隙结构 (B,E)分别为健康梨果实和木栓病梨果实的孔数和大小的直方图 (C,F)分别为健康梨果实和木栓病梨果实的孔隙度分析（自果实花萼末端到至茎末端）

梨果实孔隙连通性分析：

对健康梨果实和木栓病梨果实的HRA（木栓病高危区域）和MRA（木栓病中危区域）进行孔隙连通性分析。重建的三维 (3D) 网络模型显示：木栓病梨果实中，孔隙通道高度分支、连通程度高；健康果实中，分支较少、孔隙连通程度低。

(A)健康梨果实的HRA（木栓病高危区域）和MRA（木栓病中危区域）的孔隙分析  (B)图A的重建3D网络模型  (C)图B的近景  (D,G)分别为木栓病梨果实的MRA和HRA的孔隙分析  (E,H) 分别为图D和图G的重建3D网络模型  (F,I)分别是图E和图H的近景

梨果核结构和果核孔隙连通性分析：

X射线显微CT扫描重建后的果核结构分析表明：健康梨果核表面光滑，木栓病梨果核有破损、表面粗糙，核变形仅发生在木栓病梨果实中。与健康梨果核长而窄的孔道相比，木栓病梨果核的孔隙具有高度分支的网状结构。

(A,E)分别为健康梨果实和木栓病梨果实通过X射线扫描后切片图  (B,F)分别为重建好的健康梨果核和木栓病梨果核3D模型  (C,G)分别为图B和图F的 3D网络模型  (D,H)分别是图C和图G的近景  

梨果肉微观结构分析：

分别取健康梨果实和木栓病梨果实MRA（木栓病中危区域）的果肉组织，X射线显微CT的高分辨率（0.5μm）扫描结果显示：木栓病梨果肉的孔径 (87 µm) 是健康梨果肉孔径 (22 µm) 的四倍，二者孔隙大小差异明显。

(A,B)分别为健康梨果实MRA（木栓病中危区域）果肉的黄色和灰色重建3D图像  (C)健康果肉的X射线扫描片段  (D,E)分别为木栓病梨果实MRA果肉的黄色和灰色重建3D图像  (F) 木栓病果肉的X射线扫描片段

【实验结果/结论】

高分辨率的显微CT扫描是分析木栓病梨果实显微结构的有力工具，与以往的研究不同，科研工作者对梨果实微观结构的研究，从一个新的角度，提高了对木栓病梨果实、果核、果肉的微观结构特征认识。较健康梨果实而言，木栓病梨果实具有更高的孔隙率和更高的分支孔隙连通性，进而阻断了某些营养成分的运输，这可能是梨果实患木栓病的原因之一。

一直以来，三英精密专注X射线CT成像技术和产品开发，致力于为用户提供解决问题的新方法和新工具，今后也将继续为科研人员提供更强大的助力！