基于X射线微计算机断层扫描技术的榛子果实三维发育特征研究

《Scientific Reports》：Three-dimensional characterization of hazelnut (Corylus avellana L.) fruit development based on X-ray micro-computed tomography

【编辑推荐】为应对榛子产业高废弃果率难题，本研究首次采用X射线微计算机断层扫描（Micro-CT）技术对'Tonda di Giffoni'品种的混合芽至果实形成过程进行三维动态观测。研究实现了雌花生殖器官的无损三维重构，精准量化子房、胚珠和胚胎体积变化，首次发现胚珠空腔化是早期发育分化的关键标志。该方法突破了传统二维显微技术的局限，为榛子生殖生物学研究提供了革命性工具，对品种选育和栽培优化具有重要价值。

　　

全球榛子消费量持续攀升，预计2024年带壳榛子产量将达140万吨。然而榛子独特的生殖生物学特性——尤其是传粉与受精间长达数月的间隔期——导致子房败育现象频发，形成空壳坚果，给产业带来严重损失。传统研究依赖二维显微技术，需经过固定、脱水、切片等繁琐处理，难以揭示三维空间结构动态。正是为了解决这一瓶颈问题，由意大利国家研究委员会等机构组成的团队在《Scientific Reports》发表了创新性研究。

本研究首次将X射线微计算机断层扫描（Micro-CT）技术应用于榛子生殖发育研究，通过对'Tonda di Giffoni'品种从开花至果实形成期的系统扫描，实现了雌花器官三维结构的无损可视化。研究人员在意大利天主教圣心大学的榛子种质资源圃进行样本采集，每周采集6年生植株的混合芽和果簇，并利用积温模型（cGDH）精确标定发育阶段。通过布鲁克Skyscan 1272微CT系统进行扫描，采用不同电压（40-70 kV）和像素分辨率（1.24-16.49 μm）组合获取三维数据，并利用CTAn软件进行图像分割和体积量化。

结果

混合芽三维结构

在1448 cGDH的芽体三维重构中，清晰显示出12朵小花呈对称排列，每对花朵着生于苞片基部。通过三维切片可观察到子房原基与柱头的空间构型，揭示了花簇在芽内的精确排布模式。

受精后花簇发育

12567 cGDH时期的果簇三维显示，10个子房中4个体积显著较小（0.28 mm3对比1.22 mm3），空间分布呈现自上而下的梯度变化，为早期预测子房败育提供了可视化依据。

子房发育阶段特征

从14603 cGDH的均质薄壁组织，到17604 cGDH出现双胚珠分化，研究首次捕捉到发育胚珠在21429 cGDH率先出现空腔化现象，而败育胚珠直至29736 cGDH才出现类似特征。胚胎在27215 cGDH呈现典型鱼雷形，至35850 cGDH子叶胚胎体积增至5.03 mm3，充满整个子房空间。

体积量化分析

体积测量显示子房与胚珠生长均呈S型曲线，但子房扩张显著早于胚珠发育。发育胚珠在23851 cGDH进入快速生长期，而败育胚珠体积始终维持稳定。胚胎分化恰逢子房生长速率下降期，证实了胚胎发生与器官生长的协同规律。

讨论与结论

本研究通过Micro-CT技术突破了传统二维研究的局限，首次实现了榛子生殖发育全过程的三维动态监测。该方法不仅精确量化了子房、胚珠和胚胎的体积变化，更关键的是发现了胚珠空腔化的时序差异可作为早期发育分化的生物标志物。研究明确了珠柄（funiculus）的空间连接模式，为营养物质运输研究提供了结构基础。所构建的三维发育图谱为品种选育提供了新标准，支持"数字果树"模型的构建。尽管分辨率暂未达到细胞级别，但该技术为生殖生物学研究提供了高效无损的分析平台，在遗传机制解析、栽培措施优化等方面具有广泛应用前景。