显微MRI与偏振光显微镜揭示芹菜茎结构各向异性及其弛豫机制

《Magnetic Resonance Letters》：Structural anisotropy in celery stalks by microscopic MRI and polarized light microscopy

本研究针对植物组织微观结构与核磁弛豫各向异性关系不明的问题，通过显微MRI（μMRI）和偏振光显微镜（PLM）技术，系统分析了芹菜茎中薄壁组织、厚角组织、韧皮部与木质部的T2弛豫各向异性特征。发现厚角组织具有显著T2各向异性而薄壁组织呈各向同性，揭示了组织微观结构对水分子弛豫行为的调控作用。该研究为植物纤维材料的多尺度表征提供了新范式，对生物组织工程和农产品质量评估具有重要参考价值。

　　

在植物生理学和生物材料研究领域，芹菜茎作为一种典型的纤维状多孔生物材料，其内部复杂的微观结构如何影响水分子的运动行为和核磁共振信号，一直是学者们关注的焦点。植物组织中的水分不仅参与营养运输和细胞代谢，其受限在纳米级孔隙中的物理状态更能反映组织的微观结构特征。然而，由于植物组织具有多层次、多尺度的异质结构，传统表征技术难以在无损条件下精确解析特定组织类型的结构特征与核磁弛豫行为之间的关联。

近日发表在《Magnetic Resonance Letters》的研究论文《Structural anisotropy in celery stalks by microscopic MRI and polarized light microscopy》通过多模态成像技术揭示了这一科学问题的答案。该研究由Sarah Salem、Farid Badar、Amanveer Singh、Vladimir Sokolovsky、Gregory Furman和Yang Xia组成的跨学科团队完成，他们创新性地结合了显微MRI（μMRI）和偏振光显微镜（PLM）两种技术，从毫米到微米尺度系统解析了芹菜茎中四种主要组织类型的结构各向异性与T₂弛豫各向异性之间的内在联系。

研究团队采用的关键技术方法包括：使用7T超高场显微MRI系统，采用CPMG磁化预备T₂成像序列，在六种不同取向下获取定量T₂图谱；同时利用标准石蜡组织学方法制备5μm薄片，通过莱卡PLM系统获取定量延迟和角度图像，分辨率达0.5μm/像素。样本来源于市售芹菜的中段区域，确保包含所有四种目标组织。

1. 引言

植物组织的结构各向异性源于其定向排列的管状系统，这些系统负责水分和养分的定向运输。μMRI作为一种无损检测技术，特别适合研究此类多孔材料的流体输运特性。本研究选择芹菜茎作为模型系统，因其具有典型的植物组织分层结构：表皮提供保护功能；厚角组织负责机械支撑；薄壁组织作为基质；木质部和韧皮部构成维管系统。通过测量T₂弛豫时间的角度依赖性，可以揭示水分子在不同纳米环境中的运动受限情况，从而反推组织的微观结构特征。

2. 材料与方法

实验设计充分考虑了解析精度与信噪比的平衡。μMRI实验采用19.5μm的平面分辨率和1mm层厚，在0°-90°范围内以15°为步长采集多角度T₂加权图像。PLM实验则通过双折射效应定量表征纤维排列密度和方向，延迟图像反映组织纤维密度，角度图像揭示纤维取向分布。这种多尺度互补策略确保了从毫米到亚微米级的结构信息获取。

3. 结果

PLM结果显示，木质部细胞壁具有最高延迟值（>20nm），表明其纤维结构最致密；厚角组织和表皮也显示较高双折射。尺寸测量确认了四种组织的特征直径：薄壁组织50-90μm，厚角组织8-12μm，韧皮部2-6μm，木质部5-15μm。值得注意的是，光学图像清晰显示出每种组织内部存在显著的尺寸变异，且不同组织在维管区域高度共存。

μMRI图像中，木质部出现黑色斑点，这是标本制备过程中水分流失导致气液界面磁化率差异所致。T₂各向异性分析显示，厚角组织呈现明显的角度依赖性（变化幅度>10ms），而薄壁组织基本各向同性。维管组织的T₂各向异性较弱，可能与μMRI体素内多种组织共存有关。高分辨率PLM角度图像进一步证实，大多数细胞壁具有环形纤维结构，颜色变化周期为180°，对应纤维取向的连续变化。

4. 讨论

T₂各向异性差异本质上反映了水分子与不同纳米腔隙的偶极相互作用差异。厚角组织作为机械支撑结构，其 elongated 细胞和规整纤维排列创造了强烈的各向异性纳米环境；而薄壁组织作为储水基质，其等径细胞结构导致各向同性的水分子环境。维管组织各向异性较弱的原因可能包括：首先，其尺寸接近或小于μMRI像素尺寸（19.5μm），导致部分容积效应；其次，光学图像显示韧皮部和木质部常与其他组织交织共存，造成信号平均化。

技术局限性主要源于空间分辨率与弛豫测量精度的权衡。提高各向异性检测灵敏度有两条途径：一是通过更强梯度场实现更高空间分辨率，二是通过多回波采样和多元拟合提升弛豫时间分辨率。此外，标本制备过程中木质部水分流失引入的磁化率伪影也难以完全消除。

5. 结论

该研究成功建立了植物组织微观结构与核磁弛豫各向异性的关联模型，证实芹菜可作为研究纤维多孔材料中结构-弛豫关系的理想模型系统。μMRI与PLM的互补使用，为生物组织多尺度表征提供了技术范式。未来方向包括活体植物动态监测、农产品产地溯源和食品品质评估等应用场景的拓展。该研究的重要意义在于揭示了即使是最简单的植物组织，其微观结构复杂性也足以通过先进的物理检测技术转化为可量化的功能指标，这为生物材料科学和农业工程提供了新的研究思路。