概述
玉米是全球产量最高的粮食作物，是主要的粮食资源和重要的工业原料。玉米籽粒的品质反映了籽粒产量和品种适应性。玉米籽粒饱满度是衡量玉米产品产量和品质的重要表型性状。玉米籽粒饱满度的定性和定量分析是研究玉米遗传因素、生理过程和改良方法的最重要前提。
传统方法测量籽粒密度等指标耗时且困难，迫切需要简单、快速、可靠的分析方法鉴定玉米的产品品质和育种的种质资源。本研究基于 Micro-CT 技术对玉米籽粒进行三维重建，检测不同类别玉米籽粒之间的解剖差异，通过测量计算籽粒密度、空腔、孔隙度等表型特征及与种子饱满度分级的密切关系。
图像处理
从每个自交系中随机选择两组品质不同的玉米粒 X178 和 W99。随机选择籽粒，然后分别使用 X 射线 Micro-CT 系统（SkyScan 1172，Bruker Corporation）对整个籽粒进行扫描。将图像数据导入 Simpleware 软件进行处理，基于不同部位的灰度值利用阈值、洪水填充和区域生长等工具分割。
胚胎和玻璃体胚乳的灰度值非常接近，在全局 3D 图像上通过“区域生长”分割这两个部分会很困难。因此，打开“区域生长”工具，设置 Number of iteration = 1，Multiplier = 2，Initial neighborhood radius = 1。依次分别应用在合适的 2D 切片上，使用形态学操作 Close 获得胚胎结构，然后通过布尔运算得到胚乳，利用侵蚀工具获得果皮。
结果与讨论
玉米粒的 2D 和 3D 图像
在二维切片图像中可观察到，玉米粒由果皮、胚、胚乳和空腔组成，通过 X 射线吸收值的不同可以区分。籽粒中的胚乳有玻璃质和粉质两种类型。与粉质胚乳（较暗）相比，玻璃质胚乳（较亮）更硬，籽粒外部密度更高。由于粉质胚乳中淀粉的压实度较低，存在许多气孔。从明暗对比来看，周围的空气和内部空隙都是黑色，胚胎是明亮的。在所有重复测试中，两组种子的粉质胚乳中均观察到较大的空腔，且在自交系 X178 的种子中更为突出。比较两种玉米种子的 CT 图像，饱满度差异明显。
图像重建前，先通过 NRecon 软件进行微调，减少噪声并纠正探测器缺陷，包括对准、光束硬化校正、减少环形伪影和平滑。视觉 3D 模型通过 CTVox 软件创建。
定量分析
每组随机选择 5 个籽粒，对 10 个籽粒进行扫描和图像处理。定量分析籽粒，W99 自交系的空腔率和孔隙率明显低于 X178 组。此外，基于 3D 模型还计算了籽粒的真实体积。这些表型性状与玉米籽粒饱满度密切相关，可能是鉴定种子质量的重要指标。
结论
本研究利用 Micro-CT 技术扫描获得玉米籽粒图像数据，通过 Simpleware 软件重建三维模型，基于灰度值区分不同部位。测量统计分析得到试样的孔隙率、空腔率、体积、壁厚等信息，从而用于准确计算密度，这些均为评估籽粒饱满度的重要指标。
参考
Shao M, Zhang Y, Du J, et al. Fast analysis of maize kernel plumpness characteristics through Micro-CT technology[C]//Computer and Computing Technologies in Agriculture XI: 11th IFIP WG 5.14 International Conference, CCTA 2017, Jilin, China, August 12-15, 2017, Proceedings, Part I 11. Springer International Publishing, 2019: 31-39.