据研究人员称，一种用于分析三维成像数据的新计算管道可以帮助生物学家更准确、更快速地了解植物叶片中的细胞如何对环境做出反应，并识别出更有效利用水的植物。

新型3D成像模型可能显示通往更节水植物的路径

来自宾夕法尼亚州立大学的一组计算机科学家和生物学家开发了一种3D成像模型，以研究参与植物光合作用和蒸腾作用的称为气孔保卫细胞的微小结构在发生物理变化时如何与邻近细胞相互作用。

该模型比现有的分析细胞几何和力学的方法更有效和准确，研究人员发现保卫细胞以意想不到的方式表现。该研究将帮助生物学家更有效地进行实验，并确定能够更好地适应不断变化的气候的植物，包括重要的农作物。

“目前，专家需要五到八个小时才能在单个3D图像集中手动标记保卫细胞，”宾夕法尼亚州立大学信息科学与技术学院的博士候选人DolzodmaaDavaasuren说，他领导了管道的开发。“我们的团队希望自动化流程，以便我们可以研究更多图像。”

研究人员使用模型植物拟南芥(通常称为拟南芥)构建并测试了他们的管道。他们使用专门的共聚焦显微镜拍摄植物叶子上保卫细胞的3D图像。保卫细胞围绕气孔并调节通过气孔的二氧化碳和水蒸气的量。该团队收集了消融前后的图像，或使用激光束在接触保卫细胞的相邻细胞中戳孔，以查看气孔体积如何变化。

科学家们使用3DU-Net分割模型作为他们模型的基础，他们将其称为3DCellNet，并添加了一个能够更好地保留空间信息的编码器。他们还添加了一个注意力模块，告诉模型关注3D图像的特定部分。在这种情况下，他们告诉模块专注于微小的保卫细胞。研究人员仅使用五个手动标记的3D图像来训练他们的模型。在管道中采取进一步的图像处理步骤来测量保卫细胞的形状。

该团队发现，他们的新管道比受过训练的细胞生物学家更快、更准确地标记图像和测量细胞体积。他们还发现3DCellNet分割优于构建它的基础模型以及两个额外的2D模型。他们在Patterns杂志上报告了他们的发现。

“从计算机科学的角度来看，这是我们第一次能够使用经过有限数量标记示例训练的机器在如此苛刻的情况下实现高度准确的3D图像分割，”信息学杰出教授JamesWang说。科学技术和研究的共同作者。

“如果你考虑医学成像，即使他们有类似的3D问题，他们也没有挑战在样本中看得更深，因为光散射成像变得更模糊。你走得越深，你得到的光散射越多，以及多少光散射没有明确定义。这是我们必须应对的技术挑战，我们的研究是成功解决该问题的第一步。”

使用这种新管道在消融后分割和测量细胞体积，该团队发现保卫细胞对外部刺激的反应与预期不同。研究人员认为，如果他们通过消融侧翼相邻细胞来降低保卫细胞旁边的压力，保卫细胞体积会增加并导致孔隙打开。相反，研究人员观察到的变化很小。

然而，当他们消融每个保卫细胞对顶部和底部的相邻细胞时，这些细胞被认为可以防止气孔复合体延长，从而在保卫细胞扩张和打开气孔时迫使保卫细胞分开，他们发现保卫细胞体积显着增加.

“相邻细胞对保卫细胞施加了机械约束，但它们以一种完全出乎意料的方式进行，并且可能在某种程度上独立于那些相邻细胞的水状态，”生物学和研究副教授查尔斯安德森说。合著者。“我们想进一步调查这一点，以了解在生物力学层面发生了什么，使植物能够通过有效地关闭气孔并保持气孔关闭来应对干旱。

“这篇论文最令人兴奋的方面之一是它确实是计算机科学方面的杰作——开发了一种新算法，其性能优于现有算法来测量细胞的3D体积——并且它立即应用这一进步来帮助回答重要的生物学问题，即为植物的光合作用和水分运输提供动力的气孔是如何真正起作用的。”

Anderson说，像3DCellNet这样的工具可以帮助生物学家更好地了解保卫细胞和气孔如何对外部刺激做出反应，这对于解决全球人口增长和气候变化下的粮食安全问题非常重要。