使用商用正电子发射断层扫描(PET)扫描仪对大型植物中光同化物运输动力学和分配的体内定量成像

背景

尽管在作物植物中，整株碳分配的重要方面(如谷物)发生在植株较大的发育后期，但研究碳运输和分配过程的技术还没有适用于大型植物。正电子发射断层扫描技术(PET)是为医学动态成像而开发的，已应用于植物研究，测量碳水化合物、营养物质和植物激素的运输和分配模式，并用正电子发射放射性同位素标记。然而，PET的成本和对小型植物的限制限制了它在植物生物学中的应用。在这里，我们描述了一个商业临床PET扫描仪的适应和优化，以测量运输动态和分配模式¹¹大型作物中的c -光同化物。

结果

基于模型的测量，我们优化了仪器设置，包括使用3-D模式和衰减校正，以最大限度地提高测量精度。为了证明PET的实用性，我们测量了¹¹c -光同化物的运输和分配高粱二色的是一种重要的主粮作物，处于营养和繁殖阶段(种植后40天和70天;DAP)。的¹¹c -光同化物的转运速度在两个发育阶段没有变化。然而，在一个茎内，节点间的传输速度降低了，可能是由于更高的¹¹c -光同化物在节点上卸载。叶片的光合作用和量¹¹随着植株成熟，输出到植株其他部位的碳含量减少。在幼苗中，出口¹¹碳主要分布在根和茎中(88%)，但在开花植物中(70 DAP)出口最多¹¹C(64%)分布在顶端。

结论

我们的研究结果表明，商用PET扫描仪可以可靠地用于无损地测量大型植物的全株碳分配，重要的是，包括土壤中根系的碳分配。这种能力揭示了高粱植物在成熟过程中碳分配的极端变化。此外，我们的结果表明，节点可能是光同化物在禾本科作物中分布的重要控制点。量化实时碳分配和光同化物运输动态，对于揭示大型作物韧皮部运输控制机制的功能基因组研究至关重要，这将为提高产量提供重要见解。

据估计，要满足世界粮食需求，作物产量必须在2050年前翻一番[1，2］．植物的生长和产量依赖于光合作用对碳的固定，以及碳在生长组织中的最佳分配。因此，为了在可用耕地上实现这种产量的增加，我们必须对光合作用下碳固定、碳运输和碳在不同组织中的分配以及控制光合作用和碳分配的调节系统有一个机制上的理解。3.］．据估计，多达50%至80%的碳是从CO中吸收的₂成熟的“源”叶通过光合作用输出，以满足植物非光合作用的“库”组织的需求[4］．实验操作表明，c固定和汇利用是紧密共同调控的[5，6］．例如，库需求的减少减少了从叶片的糖运输，从而导致糖在源叶片中的积累，增加了参与碳水化合物代谢的基因的表达，减少了光合基因的表达[7，8］．相反，碳汇需求的增加增强了光合作用[6］．在大豆中，氮固结根瘤Bradyrhyzobium日本血吸虫增加根系对碳的需求，导致叶片光合作用增强[5］．研究表明，植物在大气CO浓度升高的条件下生长₂最初会导致更高的光合速率，但最终会导致光合活性的下调，这可能是由于固有的有限的碳汇容量所导致的负反馈[9- - - - - -11］．基于这些观察，我们假设维持高光合速率取决于碳利用率和/或碳汇组织的碳储存能力。韧皮部从源到汇的运输调节部分促进了源和汇之间的交叉对话，但我们仍然不完全了解韧皮部运输的机制。在某种程度上，这是由于测量韧皮部运输动力学的技术有限(例如，光同化物运输速度)。提高我们对驱动韧皮部运输机制的理解可能会导致操纵光同化物分配的新方法。

在适当的空间和时间尺度上无损测量植物中光同化物运输和分配的成像工具将有助于研究碳运输和碳分配的遗传、生化和生理机制[12］．正电子发射断层扫描(PET)是一种功能性成像技术，可用于确定整个植物的运输和营养分配，通过非侵入性地量化正电子发射放射性同位素在植物中的分布，在一段时间内，空间分辨率为几毫米。除了放射性同位素碳-11 (¹¹C)和氮13 (¹³N)，大多数植物营养物质都有正电子发射同位素，可以用PET检测到。通过实时测量整个植物中基本元素(如碳和氮)的分配和运输，PET提供了识别和描述运输和分配机制和调节所需的关键工具。此外，PET的高灵敏度非常适合于研究植物功能对处理的快速变化(例如，激素或环境处理，或发育变化)。传统碳14 (¹⁴C)和碳13 (¹³C)技术是破坏性的，根室和厚组织基本上无法成像。与x射线计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)一样，PET可以成像土壤和粗茎中的根，但PET也可以提供根和茎中光同化物和养分运输的空间显式和动态成像。最近专门为植物开发了几种PET扫描仪[13- - - - - -17]，包括一台PET/CT组合式扫描仪[18]，以及联合PET/MRI [19］．虽然这些PET成像系统是为植物设计的，但大多数植物生物学家都没有仪器团队来开发和操作它们，而且这些实验系统通常是针对小型植物的。

对大型植物的研究非常重要，因为我们的大部分食物都是在发育后期，即生殖阶段以种子的形式产生的。例如，在世界上三大主要作物(玉米、水稻和小麦)中，种子或谷物是人类唯一可以食用的部分。先前的研究表明，控制植物可食用部分吸收光同化物的机制可能与茎部或根尖的营养分生组织的机制有根本不同[20.］．因此，研究光同化物在大型作物繁殖阶段的转运和分配，对于制定新的增产策略具有重要意义。

在这里，我们描述使用商用临床PET扫描仪的功能成像¹¹植物中的c标记光同化物。这为更多的植物生物学家提供了一种可行的选择，因为许多大学都为医学研究项目提供了商用PET扫描仪。虽然PET成像在植物上的应用相对较晚，但PET已广泛用于人类和动物的研究和诊断成像超过30年。商用临床PET扫描仪具有高空间分辨率(~3毫米)和高灵敏度，并具有精简和用户友好的图像处理包，包括植物组织和土壤辐射衰减的自动空间显式测量[21］．此外，临床PET扫描仪具有大口径、大视场(15厘米长× 55厘米直径FOV)和计算机控制的床，能够测量高达1.5米的大型植物的动态。我们演示了这种PET成像方法使用高粱二色的(高粱)。高粱是禾本科(禾本科)的一员，禾本科还包括世界三大主要作物——玉米、水稻和小麦。高粱是世界十大粮食作物之一，也是非洲和亚洲贫困地区人民最重要的主食作物之一。

为了同时管理¹¹有限公司₂去植物和学习¹¹C运输分配与商用PET扫描仪我们开发了一种便携式手持式¹¹有限公司₂脉冲系统交付¹¹有限公司₂从回旋加速器到PET扫描仪[22]，以及一个外部照明的有机玻璃室，将整个工厂包围起来，以保持环境控制，使工厂在通过PET扫描仪时保持在适当的位置，并提供二次密封¹¹有限公司₂，很像一个通风柜。1)．我们获得了动态图像¹¹C在高粱茎秆中立即分布¹¹有限公司₂脉冲使用商业PET扫描仪，和静态图像¹¹c -分配2 h后(图;1 c, d)．

临床PET扫描仪对植物成像的定量考虑

商用临床PET扫描仪使用大而均匀的圆柱形进行校准¹⁸F或⁶⁸通用电气/⁶⁸已知放射性的Ga幻影，用于人体成像[23］．除了校准外，定量PET测量还需要对原始数据进行数次修正，以弥补错误识别的分散巧合或由于光子衰减而导致的“缺失”数据[24］．修正这些众所周知的现象的稳健方法已得到验证，并包含在所有临床PET相机中[24］．这些数据校正的程度取决于被成像物体的大小、形状和组成。因此，用几何形状和组成代表人体(如装满水的大圆筒)的幻影校准临床PET摄像机是一种标准做法。相比之下，植物组织的几何形状呈现出一个极端的形态范围，其尺寸与人体相差很大。在像高粱这样的大型草类中，植物的气生部分由直径约3厘米的圆柱形茎组成，使成像FOV的大部分充满空气。另一方面，根的直径相对较小，埋在土壤中。由于图像对象尺寸和组成与临床PET相机通常使用的图像对象尺寸和组成存在极大差异，本研究的一个目标是估计不同植物组织的衰减和散射因子，以准确测量放射性。此处使用的HR+ PET扫描仪有一个自动程序，使用内置放射源来确定衰减和散射(见方法)．为了测试和优化植物的PET扫描，我们附上¹⁸F-phantom小瓶在高粱植株的茎内(70 DAP)，以及在不同深度的土壤/根室内(附加文件)1)．我们测定了没有放射性的模型的衰减和散射，并测量了¹⁸F用PET扫描仪测量假体小瓶的放射性，与在校准的γ闪烁计数器中测量的相同假体进行比较。

首先，我们考察了散射对放射性测量精度的影响。分散的巧合事件的数量取决于被成像物体的厚度和密度。由于在三维模式下对散射巧合的敏感性预期比在二维模式下更大，我们仅在三维模式下测量了散射的影响。散射校正对茎部和根部幻像放射性测量的影响很小(< 1%)。2)．

为了评估植物和土壤的放射性衰减，我们进行了传输扫描，其中PET扫描环中的每个探测器测量了从已知放射源棒(⁶⁸通用电气)。通过传输扫描，ECAT软件生成一个空间分辨率衰减图，然后可以用于纠正植物不同组织的衰减。我们用衰减校正和不用衰减校正测定了幻像放射性。当我们没有对衰减进行校正时(数据未显示)，巧合计数大幅减少。衰减是大约30%的茎和55%的根放射性测量误差的来源。2 b)．由于使用衰减校正来准确量化植物中的放射性显然很重要，我们通过对植物模型进行传输扫描来优化传输扫描时间，扫描时间分别为10秒、2分钟、4分钟和20分钟¹⁸F放射性衰变低于检测限度。传输扫描时间的长短影响根、茎幻影测量的准确性。10秒传输扫描的平均误差最高。2 c, d)．将传输扫描时间增加到2分钟，在3-D模式下，茎幻影的误差降低到10%，根幻影的误差降低到4%(参见下面对2- d和3-D模式的解释)。然而，将传输扫描时间增加到2分钟以上并没有导致误差进一步降低(图。2 c, d)．我们的分析表明，传输扫描2分钟的衰减校正可以显著提高PET测量的精度。因此，我们在所有进一步的研究中都使用了衰减校正，对茎段进行至少2分钟的透射扫描，对根段进行至少4分钟的透射扫描，因为根系周围的致密土壤的衰减略高。

我们比较了二维和三维模式下的测量精度。正电子发射器，如¹¹C，通过发射正电子衰变，当正电子与电子碰撞时，发出两条相反方向的511 keV γ射线[25］．利用这些重合的伽马射线，PET扫描仪包含了多个单独的伽马射线探测器环，以提供位置信息(响应线;当两个重合的光子在一个狭窄的时间窗口内被检测到。大多数商用扫描仪可以在2-D模式下操作，这种模式只能在最接近的探测器环内计算巧合，也可以在3-D模式下操作，这种模式允许在任何探测器环之间计算巧合。对于我们的幻影研究，发射扫描在2-D和3-D模式下进行。总的来说，3-D模式在估计植物幻影的放射性方面更准确，并且比2-D模式更敏感(图2-D)。2 c, d)．由于三维发射扫描具有较高的精度和固有的较高灵敏度，我们在高粱研究中采用三维模式获取发射数据。

测量高粱的运输动态

使用商用PET扫描仪，我们测量了植物在种植后40天(DAP)和70天(DAP)两个发育阶段的光同化物运输。40株DAP植株叶片发育完全，叶片高度为70 ~ 90 cm;70株DAP植株有10 ~ 12片发育完全的叶片，植株高100 ~ 120 cm。每株植物放置时开着灯，在此之前不动1小时¹¹有限公司₂对目标叶的管理。我们从目标叶鞘与茎相连的节间处获得了2小时(以2分钟为单位)的动态排放数据(详见附加文件)2)．在重建的、衰减校正的图像上，我们勾画出两个相同大小的ROI (40 mm × 40 mm × 4 mm)，以便每个ROI都包含节间的周长。第一ROI (R1，图;3(见插图)在靠近目标叶附着点的节间顶部附近，第二个ROI (R2)在下一个相邻节间上勾画。从每个ROI的时间-活动图(图。3)的到货时间(TOA)¹¹c -光同化物估计(见方法) [26]，以两个roi之间的距离除以的时间来计算运输速度¹¹两个roi之间的C传输。新固定的光同化物的平均传输速度为0.7 m h⁻¹在40 DAP和70 DAP高粱植株的茎中(图2)3 b)．尽管水平放置植物肯定会影响植物的长期功能，但使用商用PET扫描仪所需的水平定位对运输速度几乎没有影响，¹¹C固定(75- 80%)，或光合CO₂在本实验的3小时时间框架内，与垂直植物的交换率(用IRGA测量)(附加文件)3.)．为避免潜在的混杂地向效应，植物的PET扫描应在植物水平放置后7-8小时内完成，此时碳水化合物的利用开始发生变化[27］．我们测量的运输速度与之前报道的小型高粱植株茎部的运输速度相似，尽管该研究中的植物是水培生长的[28］．有趣的是，我们发现整个工厂的运输速度不是恒定的。的¹¹c -光同化物的转运速度在叶片(1.5 ~ 2 m h)内最高⁻¹)，并在茎和根中显著减少(图。3 c)．这种沿转运轴的速度下降可能是茎和根中韧皮部路径上光同化物卸载的结果。

之前，我们观察到的积累¹¹玉米是高粱的近亲(数据未显示)，其节点中c标记的光同化物，这表明节点可能是一个韧皮部卸载较多的区域。由于节点中大量韧皮部卸载会影响节点间的光同化物流动，我们比较了不同ROIs组在节点间和节点间的传输速度。我们以大约25毫米的间隔勾画了4个roi，两个在目标节点间(R1和R2)，两个在它下面的节点间(R3和R4)在FOV内(图4)。3 d)．roi之间的距离可以超过25毫米，理论上接近3毫米，但随着roi之间的空间越来越小，数据采集的时间箱(这里每个数据点2分钟)需要减少，以提供适当的时间分辨率。在节点间，平均传输速度约为0.70 m h⁻¹R1和R2之间，R3和R4之间。节点间的传输速度取决于roi之间的距离(图2)。3 d)．从R1到R4的传输量为0.63 m h⁻¹，与节点间测量的传输速度相比略低。有趣的是，R2和R3这两个节点上最接近的roi之间的传输速度明显低于其他两个(图。3 e)．单子叶的节点尤其可能由于花萼间分生组织的存在而充当强汇[29］．大高粱植株的节点可能与报道的小高粱植株基部的“区别中心”作用相似[28]，因为在我们的高粱图像的节点上明显可见高放射性(图2)。1 c，3 d，4 a、b)，在玉米的节点上也是如此(数据未显示)。节点上韧皮部的大量卸载可能解释了光同化物在节点间运输速度的减慢，但不能解释为什么更快的速度恢复到节点基部。或者，节点上复杂的解剖结构可能会导致传输速度的实际减慢或表面减慢。首先，光同化物可能会从基本流向流向肢端流向的管道发生实质性的重定向[30.，这和卸货一样，可能会降低运输速度。第二，流速随管道横截面积的增大成比例减小。单子叶节点内筛管总截面积大于节点间[31］．这种较大的横截面积将导致较慢的运输速度或速度，因为流经管道的流速与管道横截面积成反比。这也解释了为什么从底部到节点的运输速度再次增加，筛管截面积再次变小。最后，维管束在节丛中的路径并不笔直[32］．我们测量的距离是最直的路径，它应该略小于维管束通过节点所遵循的蜿蜒路径的实际长度。这个被低估的距离将产生一个计算的传输速度，比节点中维管束的实际传输速度要慢。

测量整个植物的碳分配

我们还使用PET测量了植物从营养(40dap)过渡到生殖(70dap)阶段时c分配的变化(图2)。4 a、b)．在高粱和大多数禾本科植物中，这种发育转变的特征是在花头开始发育时，较高的c在顶端的分配，以及节间伸长的开始[33］．我们的目标¹¹有限公司₂在40 DAP和70 DAP的植株中，对最上面(即最年轻的)完全展开的叶片(不包括旗叶)施用农药。为了测量分配，我们扫描了整个植物在15厘米的片段，应用衰减校正(传输扫描执行每个植物之前¹¹有限公司₂管理)，并利用重建的全厂图像进行测量¹¹C-在目标叶、茎下部、根尖的分布(ROIs如图所示)。1 d)．将目标叶分为叶尖、负载区和叶片3个roi(图2)。1 d)．负载区，即目标叶的区域，在此区域，叶试管被连接起来进行管理¹¹有限公司₂，通常具有最高的放射性(50- 65%)。总体而言，幼苗(40 DAP)固形率较高¹¹有限公司₂较老株(70 DAP;无花果。4摄氏度)．这与总体较低的光合作用CO是一致的₂在温室中用IRGA测量的70 DAP固定(数据未显示)。之前在高粱上的两项独立研究也报告了叶片光合作用随着年龄的增长而出现类似的下降[34，35］．目标叶片的输出量是通过从整个工厂的总放射性中减去目标叶片的放射性来估计的。固定百分比¹¹从目标叶输出的C在40 DAP和70 DAP之间没有明显变化(图。4 d)，但由于固碳率下降，总碳输出量由40 DAP下降至70 DAP。然而，随着植物成熟，对特定组织的分配发生了显著变化。特别是，年轻的植物分配得更多¹¹C的根次方(图。4 e)，而较老的植物所占的比例较高¹¹C到顶点(~ 60%)，几乎没有¹¹C的根。在较年轻的植株中，分配到下部茎的比例较高(约占总数的55%)¹¹c -出口)比老厂(35%;无花果。4 e)，符合从营养阶段的茎生长到繁殖阶段的花头发育的过渡。植物内部的源库动态决定了碳水化合物分配的数量、时间和位置，最终影响产量和生产力。在这里，花期茎干的下沉需求下降了，这可能是一种在驯化作物中被选择到极致的特征，比如高粱，作为高谷物产量育种的一个意想不到的结果。

为了测试常规施用~50 mCi (1.85 GBq)可以测量c分配的时间，我们在施用后2,3,4小时对同一株70 DAP的高粱植株进行了3次连续发射扫描¹¹有限公司₂．3小时时目标叶的输出量高于2小时时，对的估计相应减少¹¹C在目标叶片中的放射性(图;5)．4 h后，靶叶的放射性进一步降低，说明更多¹¹C从3小时开始输出。然而，4小时后在工厂其他部分检测到的放射性量比3小时时低，这主要是由于根部检测到的放射性下降。总体而言，根区浓度最低(0.2 ~ 15 kBq mm)⁻³)在高粱两个生长阶段的放射性水平。为了使根可视化，我们必须将对比度提高到茎的最佳可视化所需的对比度之上。土壤顶部附近的幼苗不定根和花盆底部附近的幼苗细根网格处的放射性最高(图2)。4插图)。最有可能的是，4小时后，根部某些区域的放射性浓度接近或刚刚低于PET扫描仪的检测极限。然而，商业PET扫描仪提供了良好的估计¹¹放射性作用后3小时的碳分配。这有足够的时间来评估整个植物的c分配模式，在2小时内很明显，在2到3小时之间只有轻微的变化。

大型植物是研究大型禾本科植物碳分配的一个重要挑战高粱二色的特别是在植物发育后期，了解碳的分配对提高粮食产量或生物能源原料的组成至关重要。我们的结果表明，通过优化某些参数和考虑植物的几何结构，商用PET扫描仪不仅可以可靠地用于测量植物中的c分配，而且还可以研究光同化物运输的动力学。PET的一个优势是，它提供了三维土壤柱中未受干扰的完整根系中碳运输和分配的定量和空间信息，这是其他方法无法实现的，显示了高碳需求的区域，这通常与高代谢活性相关。因此，PET提供了功能性成像，可以补充其他方式(如CT和MRI)提供的空间分辨率成像。除了研究发育变化外，该技术还可用于比较物种、基因型或各种环境处理，以了解调控C运输和分配的遗传机制。此外，由于这项技术是非破坏性的，而且¹¹C和¹³N放射性在6-12小时内衰减到低于检测水平，同一株植物可以在许多天内重复脉冲和成像，以测量个体对处理或发育转变的反应。这种PET成像方法适用于玉米、高粱等大型禾草的成像;然而，它也可以用于成像较小的植物或其他大型植物(如杨树)。这种方法还可以为研究植物激素和营养物质的转运提供一个平台，这些营养物质可以用正电子发射同位素标记(例如，¹¹C,¹³N,¹⁸F)，也可能在大型成熟植物的生殖发育中发挥重要作用。

植物材料和生长条件

高粱种子(品种Macia;由Ismail Dweikat博士提供，内布拉斯加大学，林肯)种植在15 L花盆中，花盆混合物由Promix-BX®:沙子:珍珠岩以2:1:1 (v/v)混合。盆栽混合物在种植时每盆添加8克Osmocote®(The Scott’s Miracle Gro Company, Marysville, OH)。植物生长在30°C/24°C昼夜温度循环的温室中，光周期为16 h。种植后30天(DAP)，每周在每盆上施用3克Miracle- Gro通用植物饲料(24-8-16)(The Scott’s Miracle Gro Company)，直至植株成熟。的管理之前¹¹有限公司_2，植物被转移到一个生长室(Conviron公司)。Winnipeg, Canada)在光周期为16 h的条件下，维持27°C/24°C的昼夜温度循环，光周期为650 μmol m⁻²年代⁻¹3d的光合有效辐射(PAR)适应实验室条件。

一代的¹¹有限公司₂以及对高粱植株的管理

碳-11是在BNL通过¹⁴N (pα)¹¹在TR-19回旋加速器中使用17兆电子伏质子进行C核转化(Ebco工业有限公司，加拿大BC省里士满)[36］．A 2760 kPa N₂气体目标500ppm O₂(气体纯度99.9995%;MG工业公司)用17 MeV的质子束照射1-2分钟，取决于所需的放射性量。由此产生的¹¹有限公司₂在分子筛上捕获，或直接用于高粱的脉冲管理，如前所述[37]或转移到便携式脉冲发生器中进行传输¹¹有限公司₂如上文所述，转移至PET设施[22］．对于二级容器，定制了一个有机玻璃管(直径0.3米× 1.8米长)，并在金属轨道上的有机玻璃管内安装了一个可调节的叶片试管和一个门板，以便进入和操作植物(图2)。1 a, b)．在实验前，将高粱植物的花盆放置在一个19升的桶中(图2)。1)，并在土壤表面覆盖2.5 cm的泡沫聚苯乙烯垫片，以固定土壤。将高粱植株的嫩枝轻轻放入水平放置在PET扫描仪床上的有机玻璃管中，桶的边缘紧贴在有机玻璃管中。虽然室内限制了叶片，造成了一些自遮光，但高粱通常在田间种植得足够密集，叶片经常相互重叠，造成自遮光，尤其是较低的叶片。19升的桶上有孔，允许空气流入，有机玻璃管的另一端(封闭端)连接一个排风机(0.15 m)^3.最小值⁻¹)，在概念上很像一个通风柜，以提供持续和足够的空气流动，以保持整个拍摄周围的环境空气温度和湿度，并为¹¹有限公司₂气体通过叶片试管供应。有机玻璃管外部采用荧光灯泡照明，提供250 μmol m的光照⁻²年代⁻¹光合有效辐射(PAR)均匀地沿高粱植株的茎(图。1 b)．便携式脉冲发生器内的陷阱被加热到300°C以释放¹¹有限公司₂从分子筛，然后阀门被切换到流动的叶片试管供应空气通过疏水阀进行脉冲管理。¹¹有限公司₂在压缩空气罐(环境空气中含有~ 385 ppm CO₂)，流量为0.5 L min⁻¹有机玻璃叶片试管内的一片叶子(内部体积为0.09 L)¹¹有限公司₂对整体CO的贡献可以忽略不计₂(< 1磅)。可调LED灯阵列(0-1000 μmol m⁻²年代⁻¹PAR)相对于叶片试管以固定的几何形状放置，光强调节为700 μmol m⁻²年代⁻¹PAR在叶表面。在进行传输扫描后，将植物放置在原位不受干扰，并在此之前开灯1小时¹¹有限公司₂管理。叶片试管的出口连接到位于Capintec放射性同位素剂量校准器内的钠石灰陷阱，以测量¹¹有限公司₂这不是由树叶固定的。确保无向外泄漏¹¹有限公司₂从叶片试管衬垫-叶片界面，在钠石灰疏水阀后，将一个气泵连接到出口管上，并进行调整，以保持空气压力略低于大气压力¹¹有限公司₂管理。2分钟后关闭气泵¹¹有限公司₂给药时，通过试管的气流保持在0.5 L min⁻¹．Capintec的放射性在这个时候被记录下来并被用来计算¹¹有限公司₂固定(¹¹有限公司_2管理- - - - - -¹¹有限公司_2不固定=¹¹有限公司_2固定)．

PET扫描

PET扫描使用HR + PET扫描仪(西门子，德国)，由ECAT(7.2.2版)图像采集和分析软件操作。对所有¹¹对高粱植株进行了C PET扫描，测定了高粱植株的转运动态¹¹在C杆上固定位置放置2小时后¹¹有限公司₂然后扫描整个植物来测量最近固定碳在不同植物组织中的分配。在同位素管理和发射扫描之前¹¹C，对每个装置进行传输扫描以校正衰减。在自动传输扫描期间，屏蔽的放射源棒(⁶⁸Ge)放置在PET扫描环周围，依次暴露，以测量放射性从该固定点通过受试者到扫描仪环对面的每个探测器的传输。此传输扫描程序还提供了由主体引起的伽玛射线散射的测量。通常，在运行传输扫描前至少30分钟完成植物设置。为了获得动态图像，通过调整床的位置，将感兴趣的区域-通常是对着的节点间-放置在PET扫描仪的15厘米视野(FOV)内。根据动态成像确定传输速度。在重建的，衰减校正的动态图像上，我们勾勒出两个相同大小的roi，包括节点间的周长。从每个ROI的时间-活动图(图。3)的到货时间(TOA)¹¹c -光同化物的估计方法与Suwa及其同事描述的方法相似[26］．简而言之，TOA是通过确定时间-活度曲线拐点处的斜率，并将该线向后延伸以确定它与基线放射性相交的时间(TOA)来确定的。运输速度计算为(两个roi之间的距离)/ (TOA₁- - - - - - TOA₂)．扫描对位节间2小时后，自动程序调整苗床位置，扫描整个植株，每段15厘米，每段3分钟，相邻段之间重叠7厘米，这是根据初步实验选择的。传输扫描和发射扫描的段和重叠长度始终相同。全株分配的传输扫描在嫩枝上进行2 min/段，在根上进行4 min/段。对对侧节间进行5分钟的动态成像传输扫描。图像在ECAT中重建，并使用AMIDE(版本1.0.4)分析重建图像文件[38]，为用户绘制的roi提供放射性的量化。

对传输扫描时间进行了优化¹⁸F-phantoms。已知数量的¹⁸氟-氟移液至5毫升塑料瓶中，用水将体积调整至5毫升。对于茎幻影，用手术刀刀片和5毫升的小瓶去除茎的一小部分¹⁸氟化氟被放置在这个腔中(附加文件1)．小瓶用塑料丝扎固定在阀杆上。对于根幽灵，小瓶里有¹⁸氟-氟化物被放置在盆栽混合物中同一植物的根部附近(附加文件)1)．有植物的¹⁸将f型幻影放置在有机玻璃植物显像管内，并按上述方法进行发射扫描。15小时后为腐烂¹⁸F背景下，对植物幻影进行透射扫描。根据每个实验的描述，在有或没有衰减或散射校正的情况下重建幻影研究的图像。通过比较从PET扫描仪获得的幻像小容器中的放射性测量值与从配备Quantum MCA核光谱软件(Princeton Gamma-Tech, Inc.， Princeton, NJ, USA)的校准γ-闪烁计数器(Picker international, West Plains, NY, USA)获得的放射性测量值，来估计植物幻像放射性测量中的误差。

答:

光合作用有限₂同化

置信区间:

内部公司₂浓度

CT:

计算机断层扫描

衣冠楚楚的:

种植后天数

视场:

视野

GBq:

Gigabecquerel

KBq:

Kilobecquerel

不要生气:

反应线

核磁共振成像:

磁共振成像

兆贝可:

Megabecquerel

宠物:

正电子发射断层摄影术

投资回报:

感兴趣地区

TOA:

到达时间

我们感谢Ismail Dweikat提供高粱种子。我们也要感谢James Anselmini和Jeff Hoogsteden帮助建造整个工厂PET成像系统的管道。本文由Brookhaven Science Associates, LLC根据合同DE-AC02- 98CH10886(放射化学SFA)和MO094(植物原料基因组学生物能源赠款)与美国能源部(DOE)共同撰写，该部门支持作者的这项工作，并获得Goldhaber杰出奖学金[to B.A.B.]。本文根据创作共用属性4.0国际许可协议(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)，允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制，前提是原创作品的名称要注明出处。创作共用公共领域奉献弃权书(http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/)除另有说明外，适用于本条所提供的资料。

从属关系

1. 布鲁克海文国家实验室生物、环境和气候科学部，美国纽约州厄普顿，11973

   阿比吉特·卡夫，大卫·阿列克谢夫，金道铉，迈克尔·j·舒勒，理查德·a·费列里和本杰明·a·巴布斯特

2. 现地址:普渡研究基金会，西拉斐特，IN, 47906, USA

   Abhijit A. Karve

3. 现地址:美国宾夕法尼亚州费城5 - 11制药公司，邮编19104

   大卫Alexoff

4. 现地址:美国阿肯色大学蒙蒂塞洛分校林业与自然资源学院，AR, 71656

   本杰明·a·巴布斯特

相应的作者

对应到Abhijit A. Karve．

相互竞争的利益

作者宣称他们之间没有利益冲突。

作者的贡献

BB, MS, DA, RF和DK建造了有机玻璃管和便携式¹¹有限公司₂脉冲发生器。AK和DA设计了幻影和高粱研究，获取数据并分析结果。AK, BB和DA撰写了手稿。所有作者在投稿前阅读并批准稿件初稿。

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