摘 要

在石蒜植物中，植物叶是由叶片和鳞叶两部分组成。白色的鳞叶作为营养物质的储存部位，其结构主要是为营养物质的储存而发育形成的。而目前植物鳞叶的解剖学研究大部分还是从二维结构方面进行的工作。随着计算机应用技术的成熟，运用数字解剖技术、三维构建软件，对石蒜鳞叶进行三维重建，将更为直观地说明植物鳞叶的立体结构，并更为研究与营养物质存储相关的结构特征。

本实验以南京林业大学校内的红花石蒜和中国石蒜为材料，取鳞叶用卡诺固定液处理后，采用微波快速石蜡切片法，制得130片切片。随后在计算机上建立了这些切片的一个完整数据集，运用3D-slicer软件，构建鳞叶的三维图像。通过3D图像观察，发现鳞叶细胞内充斥着淀粉粒，在各个部位的淀粉粒数量略有不同。表皮细胞附近由于细胞排列致密且体积较小，淀粉粒数量相对较少；内部细胞则富含淀粉粒。

关键词：淀粉粒 石蒜鳞叶 石蜡切片 三维重建

Three-dimensional reconstruction of the scale leaves of Lycoris radiata

Abstract：leaves of Lycoris are composition of the two parts of the blade leaves and scale leaves. The white scale leaves is the nutrient storage site, which is the main structure for the storage of nutrients and development of the formation. At present, most of the anatomical study of plant scale leaf is based on those two-dimensional structure. With the application of computer technology (including three-dimensional building software ) and its use of digital anatomy, , three-dimensional reconstruction of plant anatomy will be more intuitive three-dimensional structure of plant tissue and cell. In this experiment, the scale leaf of Lycoris radiata Herb were be studies with the digital annatomic technology . With the use of 3D-slicer as software, a complete data set of 130 slices of the scale leaf was built into the three-dimensional structure. By 3D image viewing, the scale leaf cells were filled with starch grains. The shape of starch grains in various parts is the slightly different. In epidermal cells near the cells, starch grains is dense and smaller relatively ,and the internal cells are rich in starch grains.

Keywords: Starch grains the scale leaves of Lycoris radiata Paraffin sections Three-dimensional reconstruction

目录

第一章 文献综述 2

1．植物叶数字化解剖研究进展 2

2．石蒜鳞叶三维重建的要点及方法 2

2.1 石蒜鳞叶 2

2.2 数字切片 3

2.3计算机构建图像 3

2.4 三维重建技术医学应用成功实例 4

2.5 三维重建技术植物运用成功实例 4

2.6 技术运用于植物研究的优越性 4

2.7 总结 5

第二章 材料与方法 6

1．材料以及实验用具 6

1.1鳞叶采集 6

1.2实验药品与试剂 6

1.3实验仪器 6

2．方法 6

2.1 鳞叶的处理及固定 6

2.2 鳞叶的脱水 7

2.3 渗蜡 7

2.4 制片与染色 8

2.5 石蒜鳞叶切片的三维化处理 8

2.6 三维图像的观察 8

第三章 结果与分析 9

1．石蒜鳞叶的显微结构 9

2.三维重建图像的简要分析 10

3. 计算溶生腔体积 10

第四章 结论与讨论 11

1．结论 11

2．问题讨论 11

致 谢 13

参考文献： 14

第一章 文献综述

1．植物叶数字化解剖研究进展

关于植物叶解剖学研究已有大量的研究报告发表，但都是从2维结构方面进行的工作。但是以三维数字解剖学技术，通过对红花石蒜(Lycoris radiata Herb,也称为石蒜)叶片解剖结构的计算机三维重建这方面的文献研究比较匮乏。

植物叶是植物中光合作用的主要器官。而在石蒜植物中，植物叶是由叶片和鳞叶两部分组成。其绿色部分被称为叶片。是光合作用的主要场所。过去的研究与观察表明：石蒜叶片与大多数单子叶植物一样，它是由平行脉组成，叶中含有大量融生腔。而目前植物叶片的解剖学研究大部分由于是从二维结构方面进行的工作，在观察中多用切片染色法在显微镜下观察微观结构，但是切片是组织断面的二维图像，不利于观察者理解结构的立体形态以及各结构间的空间位置关系。用计算机构建三维可视化模型在医学上应用已十分广泛，从而实现人体从微观到宏观的结构和功能的数字化、可视化。最终达到对人体整体的精确模拟^[1]。而在植物研究领域，目前运用三位可视技术仅是刚开始，其广度和深度还无法达到较高水平。本课题用红花石蒜（L. radiata Herb）为材料，通过对其鳞叶解剖结构的计算机三维重建，旨在更全面地了解植物鳞叶的三维结构，并研究与营养物质存储相关的结构特征。这对石蒜鳞叶结构与功能的研究具有一定的前瞻性和开拓性。

2．石蒜鳞叶三维重建的要点及方法

2.1 石蒜鳞叶

石蒜所有的鳞叶均着生在鳞茎盘上，鳞叶间的营养物质运输需要通过鳞茎盘来转运。在鳞茎发育过程中，外层鳞叶的营物质被消耗供中层鳞叶发育，以满足叶片生长和形态建成。中层鳞叶所积累的光合产物供内层鳞叶的生长发育^[2]。三维重建成功以及分析三维图像时就应抓住与贮存的营养贮存相关的信息及维管束结构特点，洞悉从二维结构上无法观察到的细微之处。

2.2 数字切片

数字切片也称虚拟切片，它是通过计算机控制自动显微镜移动，并对观察到的传统切片进行全自动聚焦扫描，逐幅自动采集数字化的显微图像，高精度、多视野、无缝隙自动拼图，自动拼接成一幅定态切片的数字图像。目前，有关医用数字切片的应用已经引起人们的关注。数字切片及数字切片库的制作过程：①利用全自动显微镜在低倍物镜下对玻璃切片进行快速扫描获得扫描地图。②选定扫描区域后，转到高倍物镜下进一步扫描，以获得高分辨率的数字图像。③应用相应的扫描控制软件和图像处理软件等将数字图像自动进行无缝拼接和处理，存储在计算机或存储介质中。④按不同章节或不同系统进行分类保存，建立数字切片库^[3]。而对于石蒜鳞叶的三维重建而言，做好数字切片，是最终在计算机上形成三维立体图像的基础。

2.3计算机构建图像

生物组织的显微、超显微立体结构一般是人们观察了大量的该结构的二维图像切片后在脑中“重建”起来的。连续切片的计算机三维重建技术是对细胞某一细微结构进行连续切片、再将这一系列切片图像输入计算机，通过图片的定位、分割和三维重构显示，得到该结构立体形态的一种分析技术。这种方法首先由Sjostrand（1958）论证了其可行性和可靠性。而较为实用的方法则是由Hillman（1977）解决的。三十多年来，人们一直致力于生物组织连续切片的三维重建显示技术实现的研究，以求进一步完善二维切片图像的三维重建理论，特别是进一步提高重建精度、重建速度和三维组织形态参数分析计算的灵活性，从而改善显示效果，扩大应用领域。三维重建技术在阐明生物体组织结构与生理功能之间的关系以及在形态学、比较解剖学、细胞化学定位、医学疾病准确诊断和外科手术等方面具有非常重要的现实意义，是目前国内外正在进行广泛研究的热点课题之一。生物组织切片的三维计算机重建包括研究图像的定位、分割和三维重建等主要阶段。除了显微结构在重建中的一些固有困难外，定位问题、自动分割问题则是三维重建中的共同难题^[4]。而对于石蒜鳞叶数字切片的三维重建，本课题主要研究于贮存营养物质的结构特点。