Extrahieren von Metriken für die dreidimensionale Wurzelsysteme: Volumen und Oberflächenanalyse von In-Boden Röntgen Computertomographie Daten

Zusammenfassung

Eine Methode zur visuellen und quantitative Wurzelstruktur Informationen von Röntgencomputertomographiedaten zu erhalten im Boden erfasst wird präsentiert.

Zusammenfassung

Pflanzenwurzeln spielen eine entscheidende Rolle bei der Pflanze-Boden-Mikroben-Interaktionen, die in der Rhizosphäre auftreten, sowie Prozesse mit erheblichen Auswirkungen auf den Klimawandel und des Pflanzenanbaus. Quantitative Größeninformationen an Wurzeln in ihrer natürlichen Umgebung ist von unschätzbarem Wert für das Studium Wurzelwachstum und Umweltprozesse mit Pflanzen. Ein wirksames Instrument zur in situ Wurzel Scannen und Analyse Röntgencomputertomografie (XCT) wurde nachgewiesen. Wir wollten ein costless und effizientes Werkzeug zu entwickeln, die die Oberfläche und das Volumen der Wurzel unabhängig von seiner Form von dreidimensionalen (3D) Tomographiedaten annähert. Die Wurzelstruktur eines Prairie Dropseed (Sporobolus heterolepis) Probe wurde unter Verwendung von XCT abgebildet. Die Wurzel wurde rekonstruiert, und die primäre Wurzelstruktur wurde aus den Daten unter Verwendung einer Kombination von lizenzierten und Open-Source-Software extrahiert. Ein isosurface Polygonalnetz wurde dann für eine einfache Analyse erstellt. Wir haben t entwickelter eigenständige Anwendung imeshJ, erzeugt in MATLAB ^1, Wurzelvolumen und die Oberfläche aus dem Netz zu berechnen. Die Ausgänge der imeshJ sind Fläche (in mm ²⁾ und das Volumen (in mm ^3). Das Verfahren, eine einzigartige Kombination von Werkzeugen aus Bildgebung quantitative Wurzelanalyse verwendet wird, beschrieben. Eine Kombination aus XCT und Open-Source-Software erwies sich als eine leistungsstarke Kombination nichtinvasiv Bild Pflanzenwurzelproben, Segment Stammdaten und extrahieren quantitative Informationen aus den 3D-Daten zu sein. Diese Methodik von 3D-Datenverarbeitung sollte auf andere Material / Probensysteme anwendbar sein, wo es die Verbindung zwischen Komponenten von ähnlicher Röntgenschwächungs und Schwierigkeiten mit der Segmentierung entstehen.

Einleitung

Roots, als Teil der Rhizosphäre ^2-5, eine "unsichtbare" Teil der Pflanzenbiologie dar , da es schwierig Boden zu Bild Wurzeln nicht-invasiv ^{6 macht, 7.} Doch das Wurzelwachstum und Interaktion innerhalb der Bodenumgebung zu studieren ist entscheidend für das Verständnis root / Pflanzenwachstum und Nährstoffkreislauf, was wiederum Auswirkungen auf Aufforstung, Ernährungssicherheit, und das Klima. X-ray - Computertomographie (XCT) hat ⁸ ein wertvolles Werkzeug für die nichtinvasive Bildgebung von Pflanzenwurzelproben in ihren lokalen Umgebungen erwiesen. Um die Wurzelentwicklung und Dimensionsänderungen unter verschiedenen Bedingungen zu....

Protokoll

Achtung: Der Betrieb eines Röntgentomographen erfordert sowohl allgemeine Strahlung Ausbildung und instrumentenspezifischen Strahlung Sicherheitstraining. Alle entsprechenden Verfahren relevant in das Labor des Experimentators zu beachten.

1. Root-Imaging

Anmerkung: Dieser Schritt beschreibt die Bebilderung einer Gras Probe gehalten in seiner ursprünglichen Boden in einer röhrenförmigen Kunststofftopf (ein Kunststoffrohr mit einem Durchmesser von 40 mm, einer Höhe von 210 mm, und einer Wanddicke von etwa 2 mm).

1. Legen Sie Topfpflanze auf dem Probenmanipulator des Instruments in einem Abstand zur Ziel Vergrößerung gewünscht. Für eine Anlage i....

Ergebnisse

Die Probe , bestehend aus zwei Stämmen des nativen Gras Prairie Dropseed (Sporobolus heterolepis) und dem ursprünglichen Boden um ihn herum von einem Wohngebiet und in einem kleinen röhrenförmigen Halter in 1 zu sehen genommen wurde. Die rekonstruierten Daten Voxelgröße betrug ungefähr 31 & mgr; m x 31 & mgr; m x 31 & mgr; m. Das rekonstruierte Volumen Datei wurde verwendet , um einen Stapel von Bildern aus einer gewählten Ausrichtung (Draufsicht) zu.......

Diskussion

Eine Kombination von Röntgencomputertomografie und mehrere Open-Source-Programme erwies sich als eine leistungsstarke Kombination nichtinvasiv Bild Pflanzenwurzelproben, Segment Stammdaten und extrahieren quantitative Informationen (Fläche und Volumen) aus den 3D-Daten zu sein. Unsere Fähigkeit, Funktionen zu visualisieren und zu messen ist immer von Scan-Auflösung begrenzt sowie durch Beschränkung des RooTrak Software. Jedoch war Abtastauflösung ausreicht, um die Mehrheit der Funktionen der Probe in dieser Studie zu er.......

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
X-Tek/Metris XTH 320/225 kV	Nikon Metrology		Röntgentomograph
Inspect X	Nikon Metrology		Software zur Instrumentensteuerung
CT Pro 3D	Nikon Metrology		Rekonstruktionssoftware, Version XT 2.2
VG Studio MAX	Visual Graphics GmbH		Visualisierungssoftware für 3D-Volumen, Version 2.1.5
ImageJ	Open-source		Bildverarbeitungs- und Analysesoftware, Version 1.6
RooTrak	Open-Source		Root-Segmentierungssoftware, Version 0.3.1-b1 beta
imeshJ	EMSL		MATLAB-Skript, entwickelt von den Autoren
Prärie-Dropseed-Grasprobe			Probe aus dem Boden in einem Wohngebiet