MicroCT在昆虫研究中的应用

1.昆虫静态结构研究

1.1阿拉伯斑胸蚁

当昆虫学家发现一种新的昆虫时，需要对其进行分类定义，让它获得自己的独有ID。传统的分类方法有DNA条形码、形态计量学和多种方法相结合的综合法等。显微CT的出现则提供了一个新的分类思路，它可以在对标本毫无破坏的情况下进行扫描，之后重建生成昆虫的虚拟三维结构。由于显微CT的高分辨率，生成的虚拟结构十分精细；由于三维结构的虚拟特性，可以便捷地进行交互操作、远程操作。这些特点可以让昆虫学家们通过远程研究虚拟结构来对昆虫进行研究、分类定义。因此，显微CT在分类学上有着很大的优势。

阿拉伯斑胸蚁是一种新发现的蚂蚁物种，昆虫学家们采集到的标本仅有2个，数量稀少。昆虫学家们在给它进行分类时就使用了显微CT，下图是用显微CT重建出的阿拉伯斑胸蚁的三维图像。

图1(A-H)阿拉伯斑胸蚁的3D模型表面显示体渲染的静止图像(A)头部（包括触角）的背视图；(B)头背的背视图；(C)头部（包括触角）的侧视图；(D)身体的侧视图；(E)身体的背视图；（F）躯体和腰段的背视图；(G)前肢、腰段和胃的侧视图；(H)前肢，腰段和胃的背视图。

1.2斑马鱼

骨骼是被广泛研究的一种生物材料。下图中使用显微CT和荧光显微镜等来检测斑马鱼幼虫的骨骼发育。针对相同的使用钙 绿素染色的斑马鱼标本，研究者分别用显微CT和荧光显微镜进行观察。17天的野生型幼虫的显微CT扫描显示了颅骨的一些元素，包括帽骨、基底枕骨、外枕骨、角鳃、牙齿和3对耳石。前8个椎骨中心及其神经棘和第5个椎骨上的 根肋骨是可见的，以及来自韦伯装置的一些元素。荧光显微镜下可以观察到相同的骨头，但无法观察到耳石和牙齿。30天时，韦伯式装置完全形成，三足、骨盆、牙齿和耳石清晰可见。用荧光显微镜观察到30天时的完整轴向骨架，但很难看到头盖骨中的元素如三足、骨盆等。

通过上述结果，可以量化包括耳石在内的骨的骨量和矿物质含量，观察发育差异，识别表型。此外，显微CT成像显示，在轴向骨骼中 块骨形成之前，脊索中存在矿化聚集物，这些结构可能在矿物的储存中发挥作用。该研究结果表明了高分辨率的显微CT在表征斑马鱼方面的潜力。

图2野生型(a、b、c、d)和珍珠层（e、f、g、h）斑马鱼钙化骨骼结构侧视图。左侧为用显微CT进行扫描、重建的三维结构，右侧为荧光显微镜成像。

此外，显微CT可用于评价正常斑马鱼局部和区域脊柱结构，可对正常斑马鱼受外部应力影响的脊柱角进行测量，确定冠状面和矢状面的正常角值。以下是显微CT成像的初始步骤。

图3(A)骨窗对于优化骨骼的可视化至关重要；(B、C)减去鳍等软骨结构，以避免它们干扰脊柱的可视化；(D)强调颈椎，以确保横突起的良好能见度（白色箭头）;(E)骨性不良的例子：椎骨模糊，器官仍然可见（箭头）;(F)准备在矢状面进行评估的图像：眼球排列（箭头）,每对的肋骨叠加（箭头），颈椎清晰可见。

研究者在显微CT三维重建上定义了几个评估平面，以测量矢状面（胸椎和 后凸曲线及其根尖、脊柱各段长度、矢状指数)和冠状面(科布角、根尖、内椎骨、冠状排列和凸面侧）的骨科参数。在具有人工诱导曲线的斑马鱼中，显微CT可以有效地确定柯布角和根尖椎骨。

1.3蚂蚁食道

蚁群通过营养反应运输、储存和分配食物资源的能力是社会生活的一个关键优势。尽管如此，消化系统的结构如何在蚂蚁系统发育中适应以促进这些能力仍然不是很清楚。研究者首次利用x射线显微计算机断层扫描和三维分割技术报道了蚂蚁的辅助胸廓作物的存在。下图显示了蚂蚁的显微CT二维切片和在显微CT三维重建的基础上实现的三维分割模型呈现出的蚂蚁食道。

图4(A)主工蚁图像；(B)副工蚁图像；(C)主工蚁显微CT二维显示矢状面；(D)主工蚁显微CT二维显示横切面；(E)副工蚁显微CT二维显示矢状面；(F)副工蚁显微CT二维显示横切面；(G)主工蚁分割三维模型中的食道形状；(H)副工蚁分割三维模型中的食道形状。

2.昆虫动态结构研究

昆虫会产生各种结构去适应周围的环境，蚁巢就是一个典型代表。由于其动态性，我们需要实时地对其结构进行观察，显微CT适应了这个需求。

研究者通过显微CT扫描和时间序列实验，获得了 个关于蚁巢四维生长的高分辨率数据集，由此对蚁巢进行研究。在下图中，研究者设定了3种条件让蚂蚁在含泥沙的容器（63mm沉积物内径、深68mm）中挖掘筑巢：一层50mm深沉积物无平面（0P）；3层16.7mm深沉积物形成两个等距平面（2P）；5层10mm深沉积物形成四个等距平面（4P）。可以清晰地观察到不同时间和不同实验条件下蚁巢结构的差异。

图5不同实验条件下，来自同一供体群体的四维蚂蚁筑巢。(a)0P条件下的群体，蚂蚁在24小时内到达实验容器的边缘和底部。(b)2P条件下的群体，蚁巢18小时已到达实验容器的边缘。(c)4P条件下的群体，蚁巢24小时已到达实验容器的边缘。

3.昆虫化石研究

昆虫学家常常在昆虫化石中寻找昆虫的秘密：古代的昆虫长什么样子？它们与某种植物之间存在什么关系？它们的生活环境是什么样的？不具有破坏性的显微CT是观察化石内部结构的绝.佳工具，下文是一个应用实例。

有观点认为被子植物和它们的昆虫传粉者之间存在一种基础共生关系。白垩纪的证据大多是间接的，而对嗜蚁昆虫类群化石进行显微CT扫描，可以提供直接证据。通过口腔显微CT在 蜂化石中检测到数百个花粉粒和口腔中有明显的花粉质量，这明确表明 蜂是在花粉上觅食。

图6 蜂化石头部的高分辨率显微CT扫描（正面视图）。左侧为外表面，右侧为外表面褪色后图像，绿色部分为口腔内的食物团。

参考文献：

[1]Sharaf,MR(1),Aldawood,AS(1),Wachkoo,AA(2),Economo,EP(3)HitaGarcia,F(3)n.d.,‘TaxonomyofArabianTemnothoraxMayr(Formicidae:Myrmicinae)withdescriptionofanewspeciesenhancedbyx-raymicrotomography’,ScientificReports,vol.9,no1

[2]JeremieS,AnatA,VladB,etal.Zebrafishskeletondevelopment:Highresolutionmicro-CTandFIB-SEMblocksurfaceserialimagingforphenotypeidentification[J].PlosOne,,12(12):e.

[3]MhA,MkA,LsB,etal.Computedtomographymethodforcharacterisingthezebrafishspine[J].OrthopaedicsTraumatology:SurgeryResearch,,(2):-.

[4]Casadei-FerreiraA,FischerG,EconomoEP.EvidenceforathoraciccropintheworkersofsomeNeotropicalPheidolespecies(Formicidae:Myrmicinae)[J].ArthropodStructureDevelopment,,59:.

[5]GrimaldiDA,PealverE,EBarrón,etal.Directevidenceforeudicotpollen-feedinginaCretaceousstingingwasp(Angiospermae;Hymenoptera,Aculeata)preservedinBurmeseamber[J].CommunicationsBiology.

[6]MinterNJ(1,2),FranksNR(1),RobsonBrownKA(2).Morphogenesisofanextendedphenotype:Four-dimensionalantnestarchitecture.JournaloftheRoyalSocietyInterface.9(68):-.

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