多模态跨尺度成像技术及其在植物网络解析中的应用
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2030农业生物育种重大项目[2022ZD0401605(2)-3];中央高校基本科研业务费专项资金(QNTD202502);北京市自然科学基金(5232016);国家自然科学基金(32000558,32030010);高等学校学科创新引智计划(B13007)


Multi-modal cross-scale imaging technologies and their applications in plant network analysis
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    摘要:

    完整的植物体均由跨尺度元素构成,包括微观分子、介观多细胞和宏观组织等,这些元素相互关联,构成复杂的生物网络。植物生长发育过程涉及跨尺度元素及其生物网络调控,需要多分子、多细胞和多组织器官协同运作,仅用单一的手段或技术难以揭示多层次生命活动的本质。近年来,多种新型成像技术的发展为揭示复杂的植物生命活动提供了新途径,运用多模态成像技术从微观、介观到宏观跨尺度研究植物复杂网络连接,对于理解生物功能背后复杂的内部联系至关重要。本文首先总结了多模态跨尺度成像技术及其三维重建分析和图像处理方法,整合了跨尺度网络连接属性的基本框架,进而汇总了多模态成像技术在解析植物多尺度网络中的应用。最后,本文系统整合了跨尺度三维空间结构数据与单细胞组学的联合分析成果,为植物新型成像技术的应用革新奠定了理论基础,同时为深入解析植物生命活动中跨尺度元素的互作机制及生物网络连接规律提供了新的研究范式。

    Abstract:

    A complete plant body consists of elements on different scales, including microscopic molecules, mesoscopic multicellular structures, and macroscopic tissues and organs, which are interconnected to form complex biological networks. The growth and development of plants involve the regulation of elements on different scales and their biological networks, which requires the coordinated operation of multiple molecules, cells, tissues, and organs. It is difficult to reveal the essence of multi-level life activities by a single method or technology. In recent years, the development of various novel imaging technologies has provided new approaches for revealing the complex life activities in plants. Using multi-modal imaging technologies to study the cross-scale network connections of plants from the microscopic, mesoscopic, and macroscopic levels is crucial for understanding the complex internal connections behind biological functions. This paper first summarizes multi-modal cross-scale imaging technologies, three-dimensional reconstruction, and image processing methods, outlines the basic framework of cross-scale network connection properties, and then summarizes the applications of multi-modal imaging technologies in elucidating plant multi-scale networks. Finally, this review systematically integrates the combined analysis of cross-scale 3D spatial structural data and single-cell omics, laying a theoretical foundation for the innovation of novel plant imaging technologies. Furthermore, it provides a new research paradigm for in-depth exploration of the interaction mechanisms among cross-scale elements and the principles of biological network connectivity in plant life activities.

    参考文献
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    引证文献
引用本文

谢一宁,寇玉晨,袁艳辉,沈锦波,庄小红,林金星,张曦. 多模态跨尺度成像技术及其在植物网络解析中的应用[J]. 生物工程学报, 2025, 41(7): 2559-2578

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  • 收稿日期:2024-11-12
  • 最后修改日期:2025-04-01
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  • 在线发布日期: 2025-07-28
  • 出版日期: 2025-07-25
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