מאמר שיטה

חילוץ מדדים עבור מערכות רוט תלת ממדי: ניתוח עוצם Surface מן הנתונים-אדמת רנטגן טומוגרפיה הממוחשבת

DOI:

10.3791/53788

⸱

26 באפריל 2016

 ,  ,  ,  ,  , 
1Environmental Molecular Sciences Laboratory

במאמר זה

סיכום

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

מתודולוגיה לשם קבלת תמונת מצב מבנה שורש ויזואלית וכמותית מנתוני טומוגרפיה ממוחשבת רנטגן שנרכשו-קרקע מוצגת.

תקציר

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

שורשי צמח לשחק תפקיד קריטי אינטראקציות צמח אדמת חיידק המתרחש rhizosphere, כמו גם תהליכים עם השלכות חשובות לשינוי האקלים וניהול יבול. מידע גודל כמותי על השורשים בסביבה מולדתם לא יסולא בפז ללימוד צמיחה שורש תהליכים סביבתיים מעורבים צמחים. רנטגן טומוגרפיה הממוחשבת (XCT) הודגם להיות כלי יעיל עבור באתרו שורש סריקה וניתוח. החוקרים ביקשו לפתח כלי costless ויעיל המדמה את פני השטח והנפח של שורש ללא קשר צורתו מנתונים טומוגרפיה תלת ממדי (3D). מבנה השורש של dropseed Prairie (heterolepis Sporobolus) דגימה הייתה צלם באמצעות XCT. השורש שוחזר, ואת מבנה השורש העיקרי היה שחולץ מן הנתונים באמצעות שילוב של תוכנה ברישיון קוד פתוח. רשת מצולעים isosurface ואז נוצר על מנת להקל על ניתוח. פתחנו tהוא עצמאי יישום imeshJ, שנוצר ב MATLAB 1, כדי לחשב נפח שורש ושטח פנים מן הרשת. התפוקות של imeshJ הן שטח פנים (במ"מ 2) ואת הנפח (במ"מ 3). התהליך, תוך ניצול שילוב ייחודי של כלים מהדמית ניתוח שורש כמוני, מתואר. שילוב של XCT ותוכנות קוד פתוח התבררו שילוב רב עצמה למפעל תמונה פולשנית דגימות שורש, נתוני שורש מגזר וכן לחלץ מידע כמוני מנתוני 3D. מתודולוגיה זו של עיבוד נתוני 3D צריכה לחול על מערכות מדגם חומר / אחרים בם מתקיימים קשר בין מרכיבי הנחתת רנטגן דומה קשיים עם פילוח.

מבוא

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

שורשים, כחלק rhizosphere 2-5, מייצגים חלק "בלתי נראה" של ביולוגית צמח מאז אדמה מקשה לשורשי תמונה הלא פולשני 6, 7. עם זאת, אשר חקרו את גידול שורש ואינטראקציה בסביבת האדמה הוא קריטי להבנה צמיחת שורש / צמח ורכיבה על אופניים מזינים, אשר בתורו משפיע על ביטחון ייעור, מזון, ואקלים. רנטגן טומוגרפיה הממוחשבת (XCT) הוכיח להיות כלי רב ערך עבור הדמיה לא פולשנית של דגימות צמח שורש הסביבה המקומית שלהם 8. על מנת למדוד לפיתוח שורש ושינויים ממדיים בתנאים שונים, ולהיות מסוגל להשוות נתונים ממערכות נתונים / דגימות שונות, צריך לחלץ מידע כמוני מנתוני טומוגרפיה. פילוח נתוני שורש מזו של הקרקע שמסביב, כלומר, את הבידוד של תמונת שורש מכל דבר אחר סביבו (כולל, למשל, מפעל שכן) הוא שלב קריטי לפני ACCUניתן לעשות ניתוח גודל שיעור. עם זאת, גישת thresholding פשוטה היא לעתים קרובות אינה עומדת על פרק עבור נתוני שורש. האתגרים קשורים שורש צמח הדמיה בקרקע כוללים וריאציות במאפייני הנחתת רנטגן של החומר שורש, ואת החפיפה בערכי הנחתה בין השורש ואדמה הנגרמת על ידי מים וחומר אורגני. בעיות אלה נפתרו להפליא לאחרונה על ידי אל Mairhofer et. בכלי המעקב החזותיים שלהם 7 RooTrak, 9. השלב הבא לאחר פילוח מוצלח היא הקביעה המדויקת של נפח שורש ושטח פנים. עוצמת השמע עשוי להיות מוערך על ידי ספירת מספר ווקסלים ומתרבים על ידי לקוביות בגודל 'ווקסלים כמוצגים לפני 7. לשם קביעה מדויקת יותר של שטח פן שורש נפח, isosurface של מערכת השורשים המפולחת יכול להיות מיוצג על ידי רשת של משולשים, באמצעות אלגוריתם המכונה Marching קוביות 10. החלל הפתוח מקור ImageJ 11 יכול להיות מועסק על מנת להתקרב הנפח שורש דואר מבוסס על אלגוריתם הקוביות הצועדות. למיטב ידיעתנו, רק מספר מצומצם של תוכנות קוד פתוח מוקדש חישוב נפח מבוסס טומוגרפיה / נתונים משטחים עבור דגימות שורש בטווח הסנטימטר ומעלה זמין בשלב זה 12. אחת תוכנות קוד פתוח הסתכלנו 13 מתמקדות צמיחת שורש נועדו תכונות הסלולר המאפשרות ניתוח נפח כמותית ברזולוצית תא בודד. כמה תוכנות קוד פתוח מוקדש מערכות שורש כל 14 מצוינות למערכות שורש צינורי בקוטר קטן מבוססות על הקירוב כי צורתם היא למעשה צינורי. עם זאת, קצת עבודה עם תמונות 2D ו אינן מסוגלות להתמודד עם 3D ערימות 14. יתר על כן, קירוב הצורה צינורי אינו תקף כאשר מערכות שורשים עם משטחים קשים וצורות לא אחידים, כמו אלה של עצים, נלמדות. גישה נוספת 15 משתמשת דו ממדים (2D) רצפי תמונות סיבוב העקיפים חדשן הדואר צריך עבור סורק CT יקר. הוא מודד, תקליטים, ומציג לעקור אורכי המערכת. התוכנה בדקנו מאלו רק זמינים מסחרית 16-18; הוא אינו מופיע כדי להיות מסוגל להתמודד עם תמונת 3D ערימות 16, השני הוא מדידת אורך עלה באזור ושורש כלי 17, ואילו השלישי מבוסס על ניתוח צבע 18. בהתבסס על סקר זה, אנו מציעים אפשרות costless המדמה את פני השטח והנפח של שורש ללא קשר צורתו מנתונים טומוגרפיה 3D רצוי.

בונה על RooTrak בחופשיות הזמינה ImageJ, פתחנו תכנית, בשם imeshJ (ראה קובץ קוד משלימה) שמעבד רשת isosurface (קובץ stereolithography שטח) שנוצרה מנתוני שורש מפולחים, ומחשב את שטח נפח השטח של השורש ידי לעשות חישובים גיאומטריים פשוטים על נתוני מדד משולש רשת. כאן אנו מדווחים על שיטה המשלבת את השימוש הדמיה XCT,שחזור נתונים להדמיה (3D Pro התוכנה CT ו- VG סטודיו), פילוח של השורש של הדגימה מהקרקע בנתוני 3D (ImageJ תוכנה עם קוד פתוח RooTrak), והפקת המידע השטח והנפח של רשת משולשת (ImageJ ואת imeshJ קוד מחשב).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

זהירות: הפעלת סורק טומוגרפיה רנטגן דורשת הוא הכשרת קרינה בכלל, הדרכת בטיחות קרינה פרטנית ומכשיר. כל הנהלים המתאימים רלוונטי במעבדה של הנסיין צריך להיות אחריו.

1. הדמיה רוט

הערה: שלב זה מתאר את ההדמיה של הדגימה הדשא החזיק בקרקע המקורית בסיר פלסטיק צינורי (צינור פלסטיק בקוטר של 40 מ"מ, גובה של 210 מ"מ, עובי דופן של כ -2 מ"מ).

  1. מניח צמח בעציץ על מניפולטור המדגם של המכשיר במרחק הרצוי עבור הגדלת היעד. עבור מפעל בעל קוטר 2 אינץ ', מדגם למרחק מקור צריך להיות בערך 3 אינץ' (7 ס"מ).
  2. התאם את גדרות סריקת רנטגן כדי להשיג צבע אופטימלי (רמה אפורה) בניגוד בתמונת גלאי. הערה: הגדרות אלו זמינות תוכנות שליטת המכשיר משמשות.
    1. סט הגדרות צריכת חשמל רנטגן; 85 קילו ו -190 מיקרו-אמפר שימשו את הבחינותple.
    2. גדר זמן חשיפה. הנה, זמן חשיפה ארוך יחסית של 1 שניות שימש יחס אות לרעש טוב יותר.
    3. מספר קבוע של תחזיות פריימים הקרנה; 4 פריימי הקרנה עבור סכום כולל של 3,142 תחזיות מוצעים עבור סטטיסטיקת נתונים טובה.
    4. לפרסם תיקון הצללה באמצעות תנאי המדידה נקבעים מעל ידי בחירת הכרטיסייה "תיקון הצללה", ולחיצה על "צור".
      הערה: תיקון ההצללה מפצה על הווריאציה בתגובה של פיקסלים מכשיר ההדמיה כאשר מואר עם סט קבוע של שטף רנטגן. התהליך לוקח תמונות ריקות (עם מדגם ייוסר נתיב קרן) עם קרן הרנטגן הופעל, ועם הקרן כבויה. תיקון זה מיושם על כל התמונות שנאספו.
    5. בחר באפשרות "מזער חפצים טבעת" (המכונה גם "הלוך מצב"); המדגם יהיה לסובב בצעדים זוויתי בעוד תמונות הקרנת נרכשים. זה מוביל datרכישה בקצב איטי, אך מסייעת לסלק חפצי טבעת.
    6. התחל את הסריקה על ידי לחיצה על הכפתור "לרכוש" תחת לשונית הרכישה (עם ההגדרות שתוארו לעיל, אוסף תמונה ייקח בערך 4 שעות).

שחזור 2. נתונים

הערה: סעיף זה מתאר את ושחזור הנתונים בנפח 3D מתמונות הגלם (צילומי רנטגן מן סריקת CT).

  1. טען את הנתונים הגולמיים לתוכנית.
  2. השוואת התמונה ראשונה ואחרונה (הם צריכים להיות זהים כמעט כמו התמונה האחרונה מצולמת לאחר סיבוב 360 מעלות של הדגימה) כדי לוודא את הדגימה לא זזה או את גדרות סריקה לא השתנו במהלך רכישת נתונים.
  3. חשב את מרכז הסיבוב (COR) על ידי בחירה בכרטיסייה "הסיבוב מרכז", ולחיצה על "התחל"; אפשרויות השימוש "אוטומטי" COR מציאת עם "איכות גבוהה" דיוק, ו "כפול" (עליון ותחתון) פרוסה שלבחירות לחישוב COR.
  4. בחר את נפח דגימה להיות משוחזר: בחר בכרטיסייה "ווליום", ולערוך את חלונות הבחירה עוצמת הקול באמצעות תמונות ממוזערות.
  5. בצע שחזור כדי ליצור את הקובץ בנפח המכיל נתוני 3D על ידי לחיצה על "התחל".

3. עיבוד נתונים / פילוח

הערה: סעיף זה מתאר את הצעדים שיש לנקוט כדי להכין את הנתונים המשוחזרים לעיבוד נוסף ב RooTrak התכנית כדי לעקוב אחר שורשים כפי שהוא להסתעף דרך קרקע, ולבודד את השורשים מכל חומר הסובבים לייצר ערימה של תמונות בינאריות של רק השורש עצמו.

  1. עיבוד של נתוני נפח ImageJ להכין ערימת תמונת processable RooTrak:
    1. טען את קובץ בנפח לתוך ImageJ.
    2. תמונה בעלת ניגודיות מטב בין שורש ואדמה על ידי התאמת הגדרות הבהירות והניגודיות (לחץ על התמונה / התאם / בהירות / ניגודיות). כאשר האזור של עניין בתוך התמונה גלוי גlearly להבחין, נחשבים מותאמים ההגדרות.
    3. שמור כמו ערימת תמונת JPEG, BMP, PNG או בפורמט.
  2. עיבוד RooTrak לפלח את השורש:
    1. מחסנית תמונה טען לתוך RooTrak (ללכת "כלים" כרטיסייה, ולחץ על "מעקב").
    2. נקודות זרע גדר בתוך שורש: ללחוץ מספר נקודות בתוך כל אחד מסעיפי השורש הרלוונטיים הגלויים פרוס מבט מלמעלה של נתונים בנפח.
    3. פרמטרי גשש גדר "חלק" ו "דמיון" 0.3 ו -0.8, בהתאמה.
    4. הפעל את פונקציית המעקב. זו תעבור השורש מן פרוסת טופ אימאג כל הדרך אל הפרוסה התחתונה.
    5. לאחר הצגת נתונים בנפח, לבחור את מספר פרוסות בהתאם להיקף נתונים שמיש; במקרה זה, מעקב הופסק ב 200 פרוסות, שווה ערך עד לעומק של 6.2 מ"מ, שבו גבולות שורש הפכו שהגדרתה (התמונה של השורש במעקב החלה להתמזג לתוך הקרקע).
      הערה:תמונת מחסנית מיוצר תישמר אוטומטית בכל מקום את ספריית הפלט נוצרה.

4. כרך וניתוח Surface

הערה: שלב זה מתאר את דור רשת isosurface מערימת התדמית שיצרה RooTrak.

  1. המרת ערימת תמונה מתוך RooTrak לפורמט תמונה בינארית ImageJ. בחר "תהליך", ואז "בינארי", אז "הפוך בינארי".
  2. השתמש תוסף ImageJ קוד הפתוח, BoneJ, כדי ליצור את הרשת המשולשת; ב ImageJ בחר "תוספים", ואז "BoneJ", ואז "Isosurface".
  3. גדר "Resampling" ו "סף" עד 6 ו -120, בהתאמה (הגדרות ברירת מחדל). בדוק "משטח התכנית", ולחץ על כפתור "אישור".
  4. על "הצופה 3D" לחץ על הכרטיסיה קובץ, ואז על "משטחים ייצוא", ולאחר מכן שמור כמו "STL (בינארי)".
  5. להרחיב imeshJ, בחר את קובץ STL וזן גודל voxel ב מיקרון. לחץ על "Cשטח פנים alculate "לרכוש שטח הפנים שורש הכולל מדגם במ"מ 2. באופן דומה, לחץ על" נפח חישוב "להשיג נפח השורש המדגם במ"מ 3.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

הדגימה מורכבת משני גבעולי dropseed Prairie דשא ילידים (Sporobolus heterolepis) ואת האדמה המקורית סביבו נלקח מאזור מגורים והושמו בעל צינור בצורת קטן שניתן לראות באיור 1. גודל voxel נתונים המשוחזר היה כ 31 מיקרומטר x 31 מיקרומטר x 31 מיקרומטר. קובץ הנפח המשוחזר ששמש ליצירת ערימה של תמונות מתוך אורינטציה נבחרת (מבט מלמעלה) באמצעות תכנית עיבוד תמונת הקוד הפתוח ImageJ 1.6 11. הנתונים נפחו גם אורו בתכנית זו כדי להגביר...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

שילוב של טומוגרפיה ממוחשבת רנטגן וכמה תוכניות קוד פתוח התברר שילוב רב עצמה למפעל תמונה פולשנית דגימות שורש, נתוני שורש מגזר וכן לחלץ מידע כמוני (שטח פנים ונפח) מנתוני 3D. היכולת שלנו לחזות ולמדוד תכונות מוגבלות תמיד על ידי רזולוציית סריקה, כמו גם על ידי מגבלות של תוכנת RooTrak. עם זאת, רזולוציית הסריקה היה מספיק כדי ללכוד את רוב התכונות של המדגם במחקר זה, ואת RooTrak היה לפלח בהצלחה חלק ניכר של השורש. הגרסה של RooTrak המועסק בעבודה זו לא לעקוב אחר מגזרי שורש נסיעה כלפי מעלה (הסתעפ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

אין לנו מה לחשוף.

תודות

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

עבודה זו בוצעה במעבדה למדעים מולקולריים סביבתיים, מתקן משתמש מדעי לאומי בחסות המשרד למחקר ביולוגי וסביבתי של משרד האנרגיה וממוקם במעבדה הלאומית פסיפיק נורת'ווסט.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
X-Tek/Metris XTH 320/225 קילו וולט סורק טומוגרפיה רנטגןשל Nikon Metrology
Inspect Xתוכנת בקרת מכשירשל Nikon
מטרולוגיהCT Pro תלת מימד, גרסה XT 2.2
VG Studio MAXVisual Graphics GmbHתוכנת הדמיה לנפחי תלת מימד, גרסה 2.1.5
ImageJקודפתוחתוכנת עיבוד וניתוח תמונה, גרסה 1.6
בקודRooTrak, גרסה 0.3.1-b1 בטא
EMSLMATLAB שפותח על ידי המחברים
דשא זרעי ערבהדגימה שהתקבלה מהקרקע באזור מגורים
מטרולוגיה תוכנת שחזור של Nikonתוכנת פילוח שורש פתוחסקריפטדגימת

מקורות

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

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

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

מאמרים קשורים