Micro-CT在昆蟲研究領(lǐng)域中的應(yīng)用案例

時(shí)間：2023-08-23 熱度：498

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導(dǎo)語

在地球上眾多的生物類群中，昆蟲種類繁多、數(shù)量巨大、變化豐富，與人類關(guān)系密切。人類經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開桑蠶、蜜蜂這類益蟲的促進(jìn)，但是同時(shí)一些蚊繩等害蟲也威脅著人類的生命健康。另外，在仿生學(xué)領(lǐng)域上模仿昆蟲的結(jié)構(gòu)或者功能來制造一些設(shè)備也造福了人類。在這個(gè)物種多樣的昆蟲世界吸引著人們對(duì)它們有著非常多好奇，讓人們不斷地觀察探究這個(gè)昆蟲世界。昆蟲個(gè)體小、外骨骼和內(nèi)結(jié)構(gòu)精細(xì)，因此顯微CT在觀察昆蟲時(shí)有著不可替代技術(shù)優(yōu)勢。CT分辨率很高，可以無損地觀察昆蟲，可以針對(duì)昆蟲的不用尺度上進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)重建。利用這一強(qiáng)大的技術(shù)手段，昆蟲學(xué)家們不僅可以得到傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)和組織切片技術(shù)所不能得到的各種軟組織的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)，而且還可以對(duì)化石昆蟲、昆蟲的生理過程和內(nèi)部的形態(tài)學(xué)變化進(jìn)行細(xì)致的觀測和對(duì)比研究。

昆蟲靜態(tài)結(jié)構(gòu)研究

1.1阿拉伯胸蟻

昆蟲學(xué)家會(huì)對(duì)新發(fā)現(xiàn)的昆蟲會(huì)進(jìn)行分類定義，讓它有屬于自己的獨(dú)特ID。DNA條形碼、形態(tài)及計(jì)量學(xué)和多種方法相互結(jié)合的綜合法等傳統(tǒng)分類方法。Micro-CT技術(shù)的出現(xiàn)，讓人們看到了一種全新的分類方法，這種方法不需要對(duì)樣本造成任何損傷，就能對(duì)樣本進(jìn)行有效的掃描，從而構(gòu)建出一種真實(shí)的昆蟲3D結(jié)構(gòu)。顯微CT的高分辨率使得生成的虛擬結(jié)構(gòu)非常精細(xì)；三維結(jié)構(gòu)的虛擬特性使得虛擬特性更加便捷的交互操作、遠(yuǎn)程操作。這些特點(diǎn)可以讓昆蟲學(xué)家們通過遠(yuǎn)程研究虛擬結(jié)構(gòu)來對(duì)昆蟲進(jìn)行研究、分類定義。因此，顯微CT在的分類學(xué)上有著很大的優(yōu)勢。

阿拉伯斑胸蟻是一種新種類，目前昆蟲學(xué)家只收集了2只樣本，這是一個(gè)非常罕見的數(shù)字。當(dāng)昆蟲學(xué)家對(duì)這種螞蟻進(jìn)行分類的時(shí)候，他們已經(jīng)利用Micro-CT對(duì)其進(jìn)行了重新構(gòu)建。下面這張圖展示的是阿拉伯斑胸蟻的3D圖片。

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圖 1 (A-H) 阿拉伯斑胸蟻的 3D 模型表面顯示體渲染的靜止圖像 (A) 頭部（包括觸角）的背視圖；(B) 頭背的背視圖；(C) 頭部（包括觸角）的側(cè)視圖；(D) 身體的側(cè)視圖；(E) 身體的背視圖；（F）軀體和腰段的背視圖；(G) 前肢、腰段和胃的側(cè)視圖；(H) 前肢，腰段和胃的背視圖。

1.2 斑馬魚

骨骼是被廣泛研究的一種生物材料。下圖中使用顯微CT和熒光顯微鏡等來檢測斑馬魚幼蟲的骨骼發(fā)育。下圖是分別用顯微CT和熒光顯微鏡對(duì)相同使用鈣黃綠素染色的斑馬魚標(biāo)本進(jìn)行觀察。對(duì)17天齡的野生型幼蟲進(jìn)行Micro-CT掃描，發(fā)現(xiàn)其頭蓋骨，基枕，外枕，角腮，牙齒，三對(duì)耳石等顱骨元素。前8個(gè)椎骨中心及其神經(jīng)棘和第5個(gè)椎骨上的第一根肋骨是可見的，以及來自韋伯裝置的一些元素。熒光顯微鏡下可以觀察到相同的骨頭，但無法觀察到耳石和牙齒。30天時(shí)，韋伯式裝置完全形成，三足、骨盆、牙齒、和耳石清晰可見。用熒光顯微鏡觀察到30天時(shí)的完整軸向骨架，但很難看到頭蓋骨中的元素如三足、骨盆等。

綜合以上研究成果，實(shí)現(xiàn)對(duì)骨骼（如耳石）的骨量、礦物質(zhì)含量的定量分析，并對(duì)其進(jìn)行形態(tài)學(xué)鑒定。顯微CT成像顯示，軸向骨骼中第一塊骨形之前，有礦化聚焦物的脊索，在礦物的存儲(chǔ)中這些結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)揮作用。該研究結(jié)果表明高分辨率的CT在表征斑馬魚方面的潛力。

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圖 2 野生型 (a、b、c、d) 和珍珠層（e、f、g、h）斑馬魚鈣化骨骼結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。左側(cè)為用顯微 CT 進(jìn)行掃描、重建的三維結(jié)構(gòu)，右側(cè)為熒光顯微鏡成像。

在此基礎(chǔ)上，利用Micro-CT技術(shù)，可以對(duì)正常斑馬魚的脊椎進(jìn)行局部及局部的形態(tài)學(xué)評(píng)估，并可以測量其在外界壓力下的脊椎角度，從而確定其冠狀位及矢狀位的角度。以下是顯微 CT 成像的初始步驟。

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圖 3 (A) 骨窗對(duì)于優(yōu)化骨骼的可視化至關(guān)重要；(B、C) 減去鰭等軟骨結(jié)構(gòu)，以避免它們干擾脊柱的可視化；(D) 強(qiáng)調(diào)頸椎，以確保橫突起的良好能見度（白色箭頭）; (E) 骨性不良的例子：椎骨模糊，器官仍然可見（箭頭）; (F) 準(zhǔn)備在矢狀面進(jìn)行評(píng)估的圖像：眼球排列（箭頭）, 每對(duì)的肋骨疊加（箭頭），頸椎清晰可見。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)Micro-CT三維重構(gòu)進(jìn)行多個(gè)評(píng)價(jià)面，分別測定了不同的矢狀面（胸椎和最大后凸曲線及其根尖，脊柱各節(jié)段長度，矢狀面指數(shù)）和冠狀面（科布角，根尖，內(nèi)側(cè)椎體，冠狀面排列，突起側(cè)面）的矯形參數(shù)。利用Micro-CT技術(shù)，對(duì)帶有人造誘發(fā)曲線的斑馬魚科布角及根尖椎骨進(jìn)行了定位。

1.3 螞蟻食道

蟻群能夠運(yùn)輸，儲(chǔ)存盒并在食物中進(jìn)行營養(yǎng)反應(yīng)，這在社會(huì)生活中是非常重要的。然而，我們并不知道，在蟻群的進(jìn)化過程中，消化系統(tǒng)的構(gòu)造是怎樣發(fā)生變化的。研究者首次利用X射線顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描和三維分割技術(shù)報(bào)道了螞蟻的輔助胸廓作物的存在。下圖顯示了螞蟻的顯微CT二維切片和在顯微CT三維重建的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的三維分割模型呈現(xiàn)出的螞蟻食道。

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圖 4 (A) 主工蟻圖像；(B) 副工蟻圖像；(C) 主工蟻顯微 CT 二維顯示矢狀面；(D) 主工蟻顯微 CT 二維顯示橫切面；(E) 副工蟻顯微 CT 二維顯示矢狀面；(F) 副工蟻顯微 CT 二維顯示橫切面；(G) 主工蟻分割三維模型中的食道形狀；(H) 副工蟻分割三維模型中的食道形狀。

昆蟲動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)研究

昆蟲通過創(chuàng)建不同的構(gòu)造來適應(yīng)其所處的環(huán)境，其中最具有代表性的就是螞蟻的巢穴。由于它是動(dòng)態(tài)的，所以我們必須對(duì)它的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，而Micro-CT正好符合這一要求。

研究人員在此基礎(chǔ)上，利用Micro-CT掃描及時(shí)序試驗(yàn)，首次得到蟻巢四維增長的高分辨資料。在下面的圖片中，研究人員設(shè)置了3種情況，以使螞蟻在一個(gè)含沙罐（63mm的內(nèi)徑，68mm深）內(nèi)挖窩和筑巢；1個(gè)50mm深的沉積物（0P); 3個(gè)構(gòu)成兩個(gè)等間距面（2P）的16.7毫米深沉積層; 5個(gè)10mm深的沉積層構(gòu)成4個(gè)等間距的平面（4P）結(jié)果表明，在不同的時(shí)間、不同的試驗(yàn)條件下，蟻巢的形態(tài)發(fā)生了明顯的變化。昆蟲通過創(chuàng)建不同的構(gòu)造來適應(yīng)其所處的環(huán)境，其中最具有代表性的就是螞蟻的巢穴。由于它是動(dòng)態(tài)的，所以我們必須對(duì)它的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，而Micro-CT正好符合這一要求。

研究者在顯維CT三維重建上定義了幾個(gè)評(píng)估平面，以測量矢狀面（胸椎和最大后凸曲線及其根尖、脊柱各段長度、矢狀指數(shù)）和冠狀面（科布角、根尖、內(nèi)椎骨）

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圖5 不同實(shí)驗(yàn)條件下，來自同一供體群體的四維螞蟻筑巢。（a）0P條件下的群體，螞蟻在24小時(shí)內(nèi)達(dá)到實(shí)驗(yàn)容器的邊緣和底部。（b）2P條件下的群提體，蟻巢18小時(shí)已到達(dá)實(shí)驗(yàn)容器的邊緣。（c）4P條件下的群體，蟻巢24小時(shí)已到達(dá)實(shí)驗(yàn)容器的邊緣。

昆蟲化石研究

昆蟲學(xué)家經(jīng)常從化石中探尋關(guān)于昆蟲的奧秘：遠(yuǎn)古的昆蟲是什么樣的？又與某些植物有何聯(lián)系？他們的s生存環(huán)境如何？無破環(huán)的Micro-CT技術(shù)是一種很好的手段，可以用來研究化石的內(nèi)部構(gòu)造。

已有研究表明，被子植物與其昆蟲傳粉昆蟲間具有基本的共生性。對(duì)于白堊紀(jì)時(shí)期的研究主要是通過Micro-CT技術(shù)獲得的，利用Micro-CT技術(shù)，我們?cè)邳S蜂化石中發(fā)現(xiàn)了大量的花粒，并在口部發(fā)現(xiàn)了大量花粉粒，這些證據(jù)清楚地說明了黃蜂以花粉為食。

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