Method Article

استخراج المقاييس لأنظمة جذر ثلاثي الأبعاد: حجم والسطحية تحليل من في التربة الأشعة السينية بالكمبيوتر بيانات التصوير المقطعي

DOI:

10.3791/53788

⸱

April 26th, 2016

 ,  ,  ,  ,  , 
1Environmental Molecular Sciences Laboratory

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويرد منهجية للحصول على معلومات بنية الجذر البصرية وكمية من الأشعة السينية حسابها بيانات التصوير المقطعي المكتسبة في التربة.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

جذور النباتات تلعب دورا حاسما في تفاعلات النباتات والتربة ميكروب التي تحدث في منطقة الجذور، وكذلك العمليات التي لها آثار هامة لتغير المناخ وإدارة المحاصيل. معلومات حجم الكمية على جذور في بيئتها الأم لا تقدر بثمن لدراسة نمو الجذور والعمليات البيئية التي تنطوي على النباتات. وقد أظهرت الأشعة السينية التصوير المقطعي (XCT) لتكون أداة فعالة لفي الموقع مسح الجذور والتحليل. نحن تهدف إلى تطوير عملية دون كلفة وكفاءة الأداة التي يقارب سطح وحجم الجذر بغض النظر عن شكله من البيانات ثلاثي الأبعاد (3D) التصوير المقطعي. هيكل جذر dropseed المرج تم تصوير (heterolepis Sporobolus) عينة باستخدام XCT. أعيد بناء الجذرية، واستخراج بنية الجذر الأساسي من البيانات باستخدام مجموعة من البرامج المرخصة ومفتوحة المصدر. ثم تم إنشاء شبكة مضلعة isosurface لسهولة التحليل. لقد قمنا بتطوير رانه تطبيق مستقل imeshJ، ولدت في MATLAB 1، لحساب حجم الجذر ومساحة من شبكة. مخرجات imeshJ هي مساحة (مم 2) وحجم (مم 3). عملية، وذلك باستخدام مزيج فريد من الأدوات من التصوير لتحليل جذور الكمي، يوصف. مزيج من XCT والبرمجيات مفتوحة المصدر ثبت أن تكون تركيبة قوية لعينات جذور النباتات الصورة، والبيانات جزء الجذر، وnoninvasively استخراج المعلومات الكمية من البيانات 3D. وينبغي أن تكون هذه المنهجية من معالجة البيانات 3D ينطبق على أنظمة المواد / عينة الأخرى التي يوجد فيها الربط بين مكونات مماثلة توهين الأشعة السينية والصعوبات تنشأ مع تجزئة.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الجذور، كجزء من منطقة الجذور 2-5، تمثل جزءا "غير مرئية" من ​​بيولوجيا النبات منذ التربة يجعل من الصعب جذور صورة غير جراحية 6 و 7. ومع ذلك، ودراسة نمو الجذور والتفاعل ضمن بيئة التربة أمر بالغ الأهمية لفهم الجذر / نمو النبات وتدوير المغذيات، والتي بدورها تؤثر على التشجير، والأمن الغذائي، والمناخ. وقد أثبتت الأشعة السينية التصوير المقطعي (XCT) ليكون أداة قيمة للتصوير موسع من عينات جذور النباتات في البيئات المحلية 8. من أجل قياس التنمية الجذرية والتغيرات الأبعاد في ظل ظروف مختلفة، وتكون قادرة على مقارنة البيانات من مختلف قواعد البيانات / العينات، ويحتاج المرء لاستخراج المعلومات الكمية من البيانات التصوير المقطعي. تجزئة البيانات الجذر من أن التربة المحيطة بها، وهذا هو، وبمعزل عن صورة الجذر من كل شيء حوله (بما في ذلك، على سبيل المثال، وهو نبات المجاورة) هو خطوة حاسمة قبل هددتويمكن أن يتم تحليل حجم معدل. ومع ذلك، فإن نهج العتبة بسيط في كثير من الأحيان غير مجدية للبيانات الجذر. التحديات المرتبطة جذور النباتات التصوير في التربة وتشمل الاختلافات في خصائص توهين الأشعة السينية من المواد الأساسية، وتداخل في القيم توهين بين الجذر والتربة الناجم عن الماء والمواد العضوية. هذه القضايا تم تناولها بطريقة رائعة في الآونة الأخيرة من قبل Mairhofer وآخرون. في هم أداة تتبع بصرية RooTrak 7 و 9. والخطوة التالية بعد تجزئة ناجحة هو تحديد دقيق لحجم الجذر ومساحة السطح. ويمكن تقدير حجم عن طريق حساب عدد من voxels وضرب من قبل مكعبة حجم voxels "كما هو موضح قبل 7. لتحديد أكثر دقة من مساحة سطح الجذر وحدة التخزين، وisosurface من نظام الجذر مجزأة يمكن أن يمثله شبكة المثلثات، وذلك باستخدام خوارزمية يعرف مكعبات زحف 10. المصدر المفتوح يماغيج 11 يمكن أن تستخدم لتقريب عشرحجم الجذر ه بناء على خوارزمية زحف مكعبات. إلى حد علمنا، سوى عدد محدود من البرمجيات المفتوحة المصدر مخصصة لحساب حجم البيانات / سطح القائم على التصوير المقطعي لعينات الجذر في مجموعة سنتيمتر وأعلاه هو متاح 12 حاليا. أحد برمجيات المصدر المفتوح ونحن ننظر في 13 يركز على نمو الجذور ويهدف إلى ميزات الخلوية مما يتيح تحليل حجم الكمي في قرار وحيد الخلية. بعض البرامج المفتوحة المصدر مخصصة لنظم الجذور كلها 14 ممتاز لأنظمة أنبوبي الجذرية ذات القطر الصغير على أساس تقريب أن شكلها هو أنبوبي الواقع. ومع ذلك، بعض الأعمال مع الصور 2D وغير قادرين على التعامل مع 3D مداخن 14. وعلاوة على ذلك، قد لا يكون شكل تقريبي أنبوبي صالح عندما نظم الجذور مع السطوح الخشنة وأشكال غير موحدة، مثل تلك الأشجار، ودراستها. وثمة نهج آخر 15 يستخدم ثنائي الأبعاد (2D) تسلسل صورة التناوب التحايل مبتكر عشرونحتاج إلى لماسح التصوير المقطعي مكلفة. فهو يقيس والسجلات ويعرض الجذر أطوال النظام. البرنامج اختبرناها من تلك الوحيد المتاح تجاريا 16-18. واحد لا يبدو أن تكون قادرة على التعامل مع صورة 3D مداخن 16، والثاني هو مساحة الورقة والجذر قياس طول أداة 17، بينما يستند الثالث على تحليل اللون 18. وبناء على هذه الدراسة، فإننا نقترح أن الخيار تقدر بثمن يقارب السطح وحجم الجذر بغض النظر عن شكله من بيانات التصوير المقطعي 3D هو مرغوب فيه.

بناء على RooTrak متاحة بحرية ويماغيج، وقد وضعنا برنامجا اسمه imeshJ (انظر الرمز الإضافي ملف) الذي يعالج على شبكة isosurface (سطح ملف المجسمة) التي تم إنشاؤها من البيانات الجذر مجزأة، وبحساب حجم ومساحة السطح من الجذر إجراء الحسابات الهندسية بسيطة على شبكة بيانات مؤشر مثلث. نحن هنا الإبلاغ عن الأسلوب الذي يجمع بين استخدام التصوير XCT،إعادة بناء البيانات والتصور (برنامج CT برو 3D وVG ستوديو)، وتجزئة من جذر عينة من التربة في بيانات 3D (مفتوح المصدر يماغيج البرمجيات وRooTrak)، واستخراج المعلومات السطحية وحجم من شبكة الثلاثي (يماغيج ورمز imeshJ الكمبيوتر).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تحذير: هذه العملية من ماسح الأشعة السينية التصوير المقطعي يتطلب تدريبا إشعاع العام، والتدريب على السلامة من الإشعاع أداة محددة. وينبغي أن يتبع جميع الإجراءات المقابلة ذات الصلة إلى مختبر مجرب.

التصوير 1. الجذر

ملاحظة: توضح هذه الخطوة التصوير من عينة العشب الذي عقد في التربة الأصلية في وعاء من البلاستيك أنبوبي (أنبوب بلاستيكي بقطر 40 ملم، وارتفاعها 210 ملم، وسمك الجدار حوالي 2 مم).

  1. وضع النبات المحفوظ بوعاء على مناور عينة من أداة في المسافة المطلوبة لتكبير الهدف. لمصنع في حامل قطرها 2 بوصة، وينبغي أن تكون عينة لمسافة مصدر حوالي 3 بوصات (7 سم).
  2. ضبط إعدادات المسح الضوئي بالأشعة السينية لتحقيق اللون الأمثل (مستوى الرمادي) التباين في صورة كاشف. ملاحظة: تتوفر هذه الإعدادات في برنامج حاسوبي لمراقبة الأداة المستخدمة.
    1. مجموعة إعدادات الطاقة الأشعة السينية. تم استخدام 85 كيلو فولت أمبير و 190 في هذا الامتحانسبيل.
    2. تعيين وقت التعرض. هنا، كانت تستخدم وقت التعرض لفترة طويلة نسبيا من 1 ثانية لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
    3. عدد مجموعة من التوقعات ولقطة في الإسقاط. 4 إطارات في إسقاط أي ما مجموعه 3142 التوقعات ويقترح لإحصاءات بيانات جيدة.
    4. تشغيل تصحيح التظليل باستخدام شروط القياس المبينة أعلاه عن طريق اختيار "تصحيح تظليل" علامة التبويب، والنقر على "إنشاء".
      ملاحظة: تصحيح التظليل يعوض عن الاختلاف في استجابة بكسل جهاز التصوير عندما مضيئة مع مجموعة ثابتة من تدفق الأشعة السينية. وتستغرق العملية صور فارغة (مع عينة إزالتها من مسار الشعاع) مع شعاع الأشعة السينية تشغيل، ومع شعاع إيقاف. يتم تطبيق هذا التصحيح لجميع الصور التي تم جمعها.
    5. حدد الخيار "تصغير القطع الأثرية عصابة" (وتسمى أيضا "وضع مكوكية")؛ سيتم تدوير العينة في الخطوات الزاوي في حين يتم الحصول على صور الإسقاط. وهذا يؤدي إلى داتاقتناء بمعدل أبطأ، ولكن يساعد في القضاء على القطع الأثرية الحلبة.
    6. بدء المسح الضوئي عن طريق النقر على زر "اكتساب" تحت علامة التبويب اقتناء (مع الإعدادات المبينة أعلاه، وجمع الصور تأخذ ما يقرب من 4 ساعات).

إعادة إعمار 2. البيانات

ملاحظة: يصف هذا القسم إعادة بناء البيانات حجم 3D من الصور الخام (الأشعة من الاشعة المقطعية).

  1. تحميل البيانات الخام في البرنامج.
  2. قارن الصورة الأولى والأخيرة (يجب أن تكون متطابقة تقريبا كما يتم أخذ الصورة الأخيرة بعد دوران 360 س من العينة) للتأكد من العينة لم يتحرك أو لم إعدادات الفحص لن تتغير خلال الحصول على البيانات.
  3. حساب مركز الدوران (مجلس النواب) عن طريق اختيار علامة التبويب "مركز الدوران"، والنقر على "ابدأ". خيارات استخدام "تلقائي" مجلس النواب تجد مع "عالية الجودة" دقة، و "المزدوج" (العلوي والسفلي) شريحة الصورةالانتخابات لمجلس النواب حساب.
  4. تحديد حجم العينة من أجل إعادة بنائها: حدد "حجم" علامة التبويب، وتحرير النوافذ اختيار الصوت باستخدام الصور المصغرة.
  5. أداء إعادة الإعمار لإنشاء ملف تخزين تحتوي على بيانات 3D عن طريق النقر على "ابدأ".

3. معالجة البيانات / الإنقسام

ملاحظة: يصف هذا القسم الخطوات الواجب اتخاذها لإعداد البيانات التي أعيد بناؤها لمزيد من المعالجة في RooTrak برنامج لتتبع جذور لأنها تتفرع من خلال التربة، وعزل جذور من أي مواد المحيطة لإنتاج كومة من الصور ثنائية فقط الجذر نفسه.

  1. معالجة البيانات حجم في ImageJ لإعداد RooTrak كومة صورة للمعالجة:
    1. تحميل ملف تخزين في يماغيج.
    2. تحسين تباين الصورة بين الجذر والتربة عن طريق ضبط السطوع والتباين الإعدادات (إضغط الصورة / ضبط / السطوع / التباين). عندما المنطقة ذات الاهتمام داخل الصورة واضحة وجتمييزها learly، ويعتبر الأمثل الإعدادات.
    3. باستثناء ما رصة صور في JPEG، BMP، أو شكل بابوا نيو غينيا.
  2. المعالجة في RooTrak إلى جزء من الجذر:
    1. تحميل كومة الصورة في RooTrak (انتقل إلى "أدوات" علامة التبويب، ثم اضغط على "المقتفي").
    2. نقاط البذور داخل مجموعة الجذر: انقر فوق عدة نقاط داخل كل قسم من الأقسام الجذرية ذات الصلة واضحة في أعلى شريحة نظرا لحجم البيانات.
    3. تعيين المعلمات تعقب "النعومة" و "التشابه" إلى 0.3 و 0.8 على التوالي.
    4. تشغيل وظيفة التتبع. هذا وسوف تتبع جذورها من أعلى شريحة صورة كل وسيلة لشريحة أسفل.
    5. بعد الاطلاع على حجم البيانات، حدد عدد من شرائح وفقا لحجم البيانات صالحة للاستعمال. في هذه الحالة، تم إيقاف تتبع في 200 شرائح، أي ما يعادل عمق 6.2 ملم، حيث أصبحت الحدود الجذر سيئة التحديد (صورة الجذر تعقب بدأت في الذوبان في أن من التربة).
      لاحظ السيتم حفظ كومة الصورة الناتجة تلقائيا إلى أي مكان تم إنشاء دليل الإخراج.

4. حجم وتحليل السطح

ملاحظة: توضح هذه الخطوة في شبكة الجيل isosurface من المكدس الصورة التي أنشأتها RooTrak.

  1. تحويل صورة كومة من RooTrak في شكل صورة ثنائي في ImageJ. حدد "عملية"، ثم "ثنائي"، ثم "جعل ثنائي".
  2. استخدام يماغيج المساعد مفتوح المصدر، BoneJ، لإنشاء شبكة الثلاثي. في ImageJ حدد "الإضافات"، ثم "BoneJ"، ثم "Isosurface".
  3. ضبط "اختزال" و "عتبة" إلى 6 و 120 على التوالي (الإعدادات الافتراضية). اختيار "إظهار سطح"، واضغط على زر "موافق".
  4. على "المشاهد 3D" انقر فوق علامة التبويب ملف، ثم على "السطوح تصدير"، ثم حفظ باسم "المحكمة الخاصة بلبنان (ثنائي)".
  5. مفتوحة imeshJ، حدد ملف المحكمة الخاصة بلبنان وأدخل حجم فوكسل في ميكرون. انقر على "Calculate المساحة بالمتر المربع "إلى الحصول على مساحة سطح العينة جذر الكلية في مم 2. وبالمثل، انقر فوق" حساب حجم "للحصول على الحجم الإجمالي للعينة الجذرية في ملم 3.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

عينة تتكون من اثنين من سيقان العشب الأصلي المرج dropseed (Sporobolus heterolepis) والتربة الأصلية في جميع أنحاء تم نقله من منطقة سكنية، ووضعها في حامل على شكل أنبوب صغير مبين في الشكل 1. وكان بناؤها حجم فوكسل بيانات ما يقرب من 31 ميكرون × 31 × 31 ميكرون ميكرون. تم استخدام ملف حجم أعيد إلى إنشاء كومة من الصور من التوجه مختارة (رأي كبار) باستخدام مفتوح المصدر برنامج لمعالجة الصور يماغيج 1.6 11. وقد أشرقت حجم البيا...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

مزيج من الأشعة السينية التصوير المقطعي والعديد من البرامج المفتوحة المصدر ثبت أن تكون تركيبة قوية لعينات جذور النباتات الصورة، والبيانات جزء الجذر، وnoninvasively استخراج المعلومات الكمية (مساحة السطح والحجم) من البيانات 3D. لدينا القدرة على تصور وقياس ملامح يقتصر دائما دقة المسح الضوئي، فضلا عن القيود المفروضة على البرمجيات RooTrak. ومع ذلك، كان قرار المسح كافية لالتقاط معظم ملامح العينة في هذه الدراسة، وكان RooTrak قادرا على بنجاح جزء جزء كبير من جذورها. لم إصدار RooTrak العاملي...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدينا ما نكشف عنه.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم تنفيذ هذا العمل في مختبر العلوم الجزيئية البيئية ، وهو مرفق مستخدم علمي وطني برعاية مكتب البحوث البيولوجية والبيئية التابع لوزارة الطاقة ويقع في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
X-Tek / Metris XTH 320/225 كيلو فولت   ؛الماسح الضوئي للتصوير المقطعي بالأشعة السينيةمن نيكون
القياس فحص Xالتحكم في أداةقياس نيكون
CT Pro 3Dالقياس، الإصدار XT 2.2
برنامج VG Studio MAXVisual Graphics GmbHلوحدات التخزين ثلاثية الأبعاد ، الإصدار 2.1.5
ImageJمفتوح المصدربرنامج معالجة الصور وتحليلها ، الإصدار 1.6
مفتوح المصدرRooTrak، الإصدار 0.3.1-b1 beta
imeshJEMSLMATLAB نص تم تطويره بواسطة المؤلفين
عينةعينة تم الحصول عليها من الأرض في منطقة سكنية
برنامج برنامج إعادة بناء من نيكون برنامج تجزئة الجذر من عشب البراري المتساقطة

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. MATLAB. , The Mathworks, Inc. Available from: http://www.mathworks.com/products/matlab (2015).
  2. McKenzie, B. M. The Rhizosphere: An Ecological Perspective. Eur. J. Soil Sci. 59 (2), 416-417 (2008).
  3. Farrar, J., Hawes, M., Jones, D., Lindow, S. How roots control the flux of carbon to the rhizosphere. Ecology. 84 (4), 827-837 (2003).
  4. Gregory, P. J. Roots rhizosphere and soil: the route to a better understanding of soil science? Eur. J. Soil Sci. 57 (1), 2-12 (2006).
  5. Philippot, L., Raaijmakers, J. M., Lemanceau, P., van der Putten, W. H. Going back to the roots: the microbial ecology of the rhizosphere. Nat. Rev. Microbiol. 11 (11), 789-799 (2013).
  6. Gregory, P. J., Hutchison, D. J., Read, D. B., Jenneson, P. M., Gilboy, W. B., Morton, E. J. Non-invasive imaging of roots with high resolution X-ray micro-tomography. Plant and Soil. 255 (1), 351-359 (2003).
  7. Mairhofer, S., et al. RooTrak: Automated Recovery of Three-Dimensional Plant Root Architecture in Soil from X-Ray Microcomputed Tomography Images Using Visual Tracking. Plant Physiol. 158 (2), 561-569 (2012).
  8. Soil-Water-Root Processes: Advances in Tomography and Imaging. Anderson, S. H., Hopmans, J. W. , Soil Science Society of America. United States. (2013).
  9. Mairhofer, S., et al. Recovering complete plant root system architectures from soil via X-ray mu-Computed Tomography. Plant Methods. 9, 8(2013).
  10. Lorensen, W. E., Cline, H. E. Marching cubes: a high resolution 3D surface construction algorithm. Comput. Graph. 21 (4), 163-169 (1987).
  11. ImageJ: Image Processing and Analysis in Java. , Available from: http://imagej.nih.gov/ij (2014).
  12. Lobet, G., Draye, X., Perilleux, C. An online database for plant image analysis software tools. Plant Methods. 9 (38), (2013).
  13. Schmidt, T., et al. The iRoCS Toolbox - 3D analysis of the plant root apical meristem at cellular resolution. Plant J. 77 (5), 806-814 (2014).
  14. Galkovskyi, T., et al. GiA Roots: software for the high throughput analysis of plant root system architecture. BMC Plant Biol. 12, 116(2012).
  15. Clark, R., et al. 3-Dimensional Root Phenotyping with a Novel Imaging and Software Platform. Plant Physiol. 156, 455-465 (2011).
  16. RootSnap!. , CID Bio-Science. Available from: https://www.cid-inc.com (2013).
  17. Skye Leaf Area and Analysis Systems and Root Length Measurement System. , Skye Instruments Limited. Available from: http://www.skyeinstruments.com/products/plant-analysis-systems/leaf-arearoot-length-systems (2014).
  18. Arsenault, J. L., Pouleur, S., Messier, C., Guay, R. WinRHIZO™ a root-measuring system with a unique overlap correction method. HortSci. 30, 906-906 (1995).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

X ray Computed TomographyRoot Volume AnalysisSurface Area Measurement3D Tomography DataIn soil ImagingRoot SegmentationIsosurface MeshIMESHJ ApplicationRooTrak TrackingBoneJ Plugin

Related Articles