Name: חילוץ מדדים עבור מערכות רוט תלת ממדי: ניתוח עוצם Surface מן הנתונים-אדמת רנטגן טומוגרפיה הממוחשבת (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-26T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 37 s
Description: למד כיצד לחלץ מדדים כמותיים על מבני שורשי צמחים מנתוני טומוגרפיית רנטגן ממוחשבת באדמה. שיטה זו מאפשרת מחקר לא פולשני של צמחים בסביבתם הטבעית ותשובות לשאלות ביולוגיות מרכזיות.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

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&quot;מ, גובה של 210 מ&quot;מ, עובי דופן של כ -2 מ&quot;מ). <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניח צמח בעציץ על מניפולטור המדגם של המכשיר במרחק הרצוי עבור הגדלת היעד. עבור מפעל בעל קוטר 2 אינץ &#39;, מדגם למרחק מקור צריך להיות בערך 3 אינץ&#39; (7 ס&quot;מ). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את גדרות סריקת רנטגן כדי להשיג צבע אופטימלי (רמה אפורה) בניגוד בתמונת גלאי. הערה: הגדרות אלו זמינות תוכנות שליטת המכשיר משמשות. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סט הגדרות צריכת חשמל רנטגן; 85 קילו ו -190 מיקרו-אמפר שימשו את הבחינותple. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> גדר זמן חשיפה. הנה, זמן חשיפה ארוך יחסית של 1 שניות שימש יחס אות לרעש טוב יותר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מספר קבוע של תחזיות פריימים הקרנה; 4 פריימי הקרנה עבור סכום כולל של 3,142 תחזיות מוצעים עבור סטטיסטיקת נתונים טובה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפרסם תיקון הצללה באמצעות תנאי המדידה נקבעים מעל ידי בחירת הכרטיסייה &quot;תיקון הצללה&quot;, ולחיצה על &quot;צור&quot;. 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. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר באפשרות &quot;מזער חפצים טבעת&quot; (המכונה גם &quot;הלוך מצב&quot;); המדגם יהיה לסובב בצעדים זוויתי בעוד תמונות הקרנת נרכשים. זה מוביל datרכישה בקצב איטי, אך מסייעת לסלק חפצי טבעת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התחל את הסריקה על ידי לחיצה על הכפתור &quot;לרכוש&quot; תחת לשונית הרכישה (עם ההגדרות שתוארו לעיל, אוסף תמונה ייקח בערך 4 שעות). </li></ol></li></ol> שחזור 2. נתונים הערה: סעיף זה מתאר את ושחזור הנתונים בנפח 3D מתמונות הגלם (צילומי רנטגן מן סריקת CT). <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען את הנתונים הגולמיים לתוכנית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> 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. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חשב את מרכז הסיבוב (COR) על ידי בחירה בכרטיסייה &quot;הסיבוב מרכז&quot;, ולחיצה על &quot;התחל&quot;; אפשרויות השימוש &quot;אוטומטי&quot; COR מציאת עם &quot;איכות גבוהה&quot; דיוק, ו &quot;כפול&quot; (עליון ותחתון) פרוסה שלבחירות לחישוב COR. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר את נפח דגימה להיות משוחזר: בחר בכרטיסייה &quot;ווליום&quot;, ולערוך את חלונות הבחירה עוצמת הקול באמצעות תמונות ממוזערות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בצע שחזור כדי ליצור את הקובץ בנפח המכיל נתוני 3D על ידי לחיצה על &quot;התחל&quot;. </li></ol> 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. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עיבוד של נתוני נפח ImageJ להכין ערימת תמונת processable RooTrak: <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען את קובץ בנפח לתוך ImageJ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> 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. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שמור כמו ערימת תמונת JPEG, BMP, PNG או בפורמט. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עיבוד RooTrak לפלח את השורש: <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מחסנית תמונה טען לתוך RooTrak (ללכת &quot;כלים&quot; כרטיסייה, ולחץ על &quot;מעקב&quot;). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> נקודות זרע גדר בתוך שורש: ללחוץ מספר נקודות בתוך כל אחד מסעיפי השורש הרלוונטיים הגלויים פרוס מבט מלמעלה של נתונים בנפח. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פרמטרי גשש גדר &quot;חלק&quot; ו &quot;דמיון&quot; 0.3 ו -0.8, בהתאמה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את פונקציית המעקב. זו תעבור השורש מן פרוסת טופ אימאג כל הדרך אל הפרוסה התחתונה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> 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&quot;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. </li></ol></li></ol> 4. כרך וניתוח Surface הערה: שלב זה מתאר את דור רשת isosurface מערימת התדמית שיצרה RooTrak. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> המרת ערימת תמונה מתוך RooTrak לפורמט תמונה בינארית ImageJ. בחר &quot;תהליך&quot;, ואז &quot;בינארי&quot;, אז &quot;הפוך בינארי&quot;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש תוסף ImageJ קוד הפתוח, BoneJ, כדי ליצור את הרשת המשולשת; ב ImageJ בחר &quot;תוספים&quot;, ואז &quot;BoneJ&quot;, ואז &quot;Isosurface&quot;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> גדר &quot;Resampling&quot; ו &quot;סף&quot; עד 6 ו -120, בהתאמה (הגדרות ברירת מחדל). בדוק &quot;משטח התכנית&quot;, ולחץ על כפתור &quot;אישור&quot;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> על &quot;הצופה 3D&quot; לחץ על הכרטיסיה קובץ, ואז על &quot;משטחים ייצוא&quot;, ולאחר מכן שמור כמו &quot;STL (בינארי)&quot;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להרחיב imeshJ, בחר את קובץ STL וזן גודל voxel ב מיקרון. לחץ על &quot;Cשטח פנים alculate &quot;לרכוש שטח הפנים שורש הכולל מדגם במ&quot;מ 2. באופן דומה, לחץ על&quot; נפח חישוב &quot;להשיג נפח השורש המדגם במ&quot;מ 3. </li></ol>

<ol><li>MATLAB. , The Mathworks, Inc. Available from: 
	
	 <a target="_blank" href="http://www.mathworks.com/products/matlab">http://www.mathworks.com/products/matlab</a> (2015).</li>
<li>McKenzie, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Rhizosphere%3A+An+Ecological+Perspective%5BTitle%5D)+AND+%22Eur.+J.+Soil+Sci%22%5BJournal%5D)">The Rhizosphere: An Ecological Perspective.</a> Eur. J. Soil Sci. 59 (2), 416-417 (2008).</li>
<li>Farrar, J., Hawes, M., Jones, D., Lindow, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+roots+control+the+flux+of+carbon+to+the+rhizosphere%5BTitle%5D)+AND+%22Ecology%22%5BJournal%5D)">How roots control the flux of carbon to the rhizosphere.</a> Ecology. 84 (4), 827-837 (2003).</li>
<li>Gregory, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Roots+rhizosphere+and+soil%3A+the+route+to+a+better+understanding+of+soil+science%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Eur.+J.+Soil+Sci%22%5BJournal%5D)">Roots rhizosphere and soil: the route to a better understanding of soil science?</a> Eur. J. Soil Sci. 57 (1), 2-12 (2006).</li>
<li>Philippot, L., Raaijmakers, J. M., Lemanceau, P., van der Putten, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Going+back+to+the+roots%3A+the+microbial+ecology+of+the+rhizosphere%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Rev.+Microbiol%22%5BJournal%5D)">Going back to the roots: the microbial ecology of the rhizosphere.</a> Nat. Rev. Microbiol. 11 (11), 789-799 (2013).</li>
<li>Gregory, P. J., Hutchison, D. J., Read, D. B., Jenneson, P. M., Gilboy, W. B., Morton, E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-invasive+imaging+of+roots+with+high+resolution+X-ray+micro-tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+and+Soil%22%5BJournal%5D)">Non-invasive imaging of roots with high resolution X-ray micro-tomography.</a> Plant and Soil. 255 (1), 351-359 (2003).</li>
<li>Mairhofer, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((RooTrak%3A+Automated+Recovery+of+Three-Dimensional+Plant+Root+Architecture+in+Soil+from+X-Ray+Microcomputed+Tomography+Images+Using+Visual+Tracking%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Physiol%22%5BJournal%5D)">RooTrak: Automated Recovery of Three-Dimensional Plant Root Architecture in Soil from X-Ray Microcomputed Tomography Images Using Visual Tracking.</a> Plant Physiol. 158 (2), 561-569 (2012).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Soil-Water-Root+Processes%3A+Advances+in+Tomography+and+Imaging%22">Soil-Water-Root Processes: Advances in Tomography and Imaging</a>. Anderson, S. H., Hopmans, J. W. , Soil Science Society of America. United States. (2013).</li>
<li>Mairhofer, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recovering+complete+plant+root+system+architectures+from+soil+via+X-ray+mu-Computed+Tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Methods%22%5BJournal%5D)">Recovering complete plant root system architectures from soil via X-ray mu-Computed Tomography.</a> Plant Methods. 9, 8(2013).</li>
<li>Lorensen, W. E., Cline, H. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Marching+cubes%3A+a+high+resolution+3D+surface+construction+algorithm%5BTitle%5D)+AND+%22Comput.+Graph%22%5BJournal%5D)">Marching cubes: a high resolution 3D surface construction algorithm.</a> Comput. Graph. 21 (4), 163-169 (1987).</li>
<li>ImageJ: Image Processing and Analysis in Java. , Available from: 
	
	 <a target="_blank" href="http://imagej.nih.gov/ij">http://imagej.nih.gov/ij</a> (2014).</li>
<li>Lobet, G., Draye, X., Perilleux, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+online+database+for+plant+image+analysis+software+tools%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Methods%22%5BJournal%5D)">An online database for plant image analysis software tools.</a> Plant Methods. 9 (38), (2013).</li>
<li>Schmidt, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+iRoCS+Toolbox+-+3D+analysis+of+the+plant+root+apical+meristem+at+cellular+resolution%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+J%22%5BJournal%5D)">The iRoCS Toolbox - 3D analysis of the plant root apical meristem at cellular resolution.</a> Plant J. 77 (5), 806-814 (2014).</li>
<li>Galkovskyi, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((GiA+Roots%3A+software+for+the+high+throughput+analysis+of+plant+root+system+architecture%5BTitle%5D)+AND+%22BMC+Plant+Biol%22%5BJournal%5D)">GiA Roots: software for the high throughput analysis of plant root system architecture.</a> BMC Plant Biol. 12, 116(2012).</li>
<li>Clark, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3-Dimensional+Root+Phenotyping+with+a+Novel+Imaging+and+Software+Platform%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Physiol%22%5BJournal%5D)">3-Dimensional Root Phenotyping with a Novel Imaging and Software Platform.</a> Plant Physiol. 156, 455-465 (2011).</li>
<li>RootSnap!. , CID Bio-Science. Available from: 
	
	 <a target="_blank" href="https://www.cid-inc.com">https://www.cid-inc.com</a> (2013).</li>
<li>Skye Leaf Area and Analysis Systems and Root Length Measurement System. , Skye Instruments Limited. Available from: 
	
	 <a target="_blank" href="http://www.skyeinstruments.com/products/plant-analysis-systems/leaf-arearoot-length-systems">http://www.skyeinstruments.com/products/plant-analysis-systems/leaf-arearoot-length-systems</a> (2014).</li>
<li>Arsenault, J. L., Pouleur, S., Messier, C., Guay, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((WinRHIZO%E2%84%A2+a+root-measuring+system+with+a+unique+overlap+correction+method%5BTitle%5D)+AND+%22HortSci%22%5BJournal%5D)">WinRHIZO™ a root-measuring system with a unique overlap correction method.</a> HortSci. 30, 906-906 (1995).</li>
</ol>

אין לנו מה לחשוף.

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...

שורשים, כחלק rhizosphere 2-5, מייצגים חלק &quot;בלתי נראה&quot; 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 &#39;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).

<table><tbody><tr><td>X-Tek/Metris XTH 320/225 קילו וולט&nbsp;</td><td>סורק טומוגרפיה רנטגן</td> <td>של Nikon Metrology</td><td></td></tr><tr><td>Inspect X</td><td>תוכנת בקרת מכשיר</td>מטרולוגיה <td></td><td>של Nikon</td></tr><tr>תוכנת שחזור <td>מטרולוגיה</td><td></td><td>CT Pro תלת מימד</td> של Nikon<td>, גרסה XT 2.2</td></tr><tr><td>VG Studio MAX</td><td>Visual Graphics GmbH</td><td></td><td>תוכנת הדמיה לנפחי תלת מימד, גרסה 2.1.5</td></tr><tr><td>ImageJ</td><td>קוד</td><td></td> <td>פתוחתוכנת עיבוד וניתוח תמונה, גרסה 1.6</td></tr><tr>תוכנת פילוח שורש <td>בקוד</td><td></td> פתוח<td>RooTrak</td><td>, גרסה 0.3.1-b1 בטא</td></tr><tr>סקריפט<td>EMSL</td><td></td><td></td><td>MATLAB שפותח על ידי המחברים</td></tr><tr>דגימת <td></td><td></td><td>דשא זרעי ערבה</td><td>דגימה שהתקבלה מהקרקע באזור מגורים</td></tr></tbody></table>

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

Extracting Metrics for Three-dimensional Root Systems: Volume and Surface Analysis from In-soil X-ray Computed Tomography Data

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&quot;מ 2) ואת הנפח (במ&quot;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.

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...

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

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

Plant roots play a critical role in plant-soil-microbe interactions that occur in the rhizosphere, as well as processes with important implications to ...

המטרה הכללית של הליך זה היא להפיק מידע כמותי על שורשי צמחים מנתוני טומוגרפיה ממוחשבת בקרני X (X-ray computed tomography) בתוך הקרקע. שיטה זו לבדיקת מבנה השורשים של צמחים חיים יכולה לסייע במתן תשובות לשאלות מפתח בתחום הביולוגיה, כגון כיצד צמחים מגיבים לתנאים סביבתיים משתנים כמו בצורת, פעילות מיקרובלית וכדומה. היתרון המרכזי של טכניקה זו הוא שהיא אינה פולשנית, ולכן היא מאפשרת לנו לחקור צמחים בסביבתם הטבעית, הקרקע.הדגמה חזותית של שיטה זו היא בעלת ערך, שכן הפרוצדורה כוללת שלבים רבים, ביניהם דימות טומוגרפי, שחזור נתונים וניתוח, אשר עשויים להיות לא ברורים ללא עזר חזותי. ראשית, מקמו צמח בעציץ על ידיעת הדגימה של סורק ה-X-ray tomography במרחק הרצוי להגדלה המבוקשת. עבור צמח במחזיק בעל קוטר של two inch, הגדירו מרחק מדגימה למקור של כ-three inches.בתוכנת הבקרת המכשיר, הגדירו את הגדרות הספק קרני X ל-85 kilovolts ו-190 microamps. לאחר מכן, הגדירו את זמן החשיפה לשנייה אחת כדי להשיג יחס אות לרעש טוב יותר. הגדירו את מספר ההקרנות ל-3,142 ואת מספר הפריימים לכל הקרנה לארבעה, על מנת להבטיח סטטיסטיקת נתונים טובה.תוך שימוש בפרמטרי הסריקה שהוגדרו זה עתה, בחרו בלשונית "Shading Correction". לאחר מכן, לחצו על "New" ותנו שם לקובץ תיקון ההצללה. לסיום, לחצו על "Present" כדי לאשר את התנאים החדשים.בשלב הבא, לחצו על "Create" ולאחר מכן על "OK" כדי להשתמש בשתי תמונות ייחוס. לאחר מכן לחצו על Generate. כאשר מופיע חלון האזהרה הקופץ, הוציאו פיזית את הדגימה מנתיב הקרינה לפני הלחיצה על OK. כעת יתבצע תיקון ההצללה (shading correction).כעת, לחצו על לשונית "Acquisition". תנו שם לקובץ הנתונים, ולאחר מכן בחרו "None" עבור מסנן קרני X. ודאו שתיבת הסימון "Minimise ring artefacts" מסומנת, כדי שהדגימה תסובב בצעדים זוויתיים בזמן רכישת תמונות ההקרנה.לבסוף, התחילו את הסריקה על ידי לחיצה על כפתור "Acquire". לאחר רכישת הנתונים הגולמיים, טענו אותם לתוכנת השחזור. השוו בין התמונה הראשונה והאחרונה על ידי לחיצה על "Blink" כדי לוודא שהדגימה לא זזה או שהגדרות הסריקה לא השתנו במהלך רכישת הנתונים.חשבו את מרכז הסיבוב, או COR, על ידי בחירה בלשונית "Center of rotation" ושימוש באפשרויות "Automatic COR finding" עם דיוק "High Quality" ובחירת "Dual slice" לחישוב ה-COR. לאחר מכן, לחצו על "Start" כדי להריץ את החישוב. לאחר מציאת ה-COR, לחצו על לשונית "Volume" כדי לבחור את הדגימה לשחזור.השתמשו בתמונות הממוזערות (thumbnails) כדי לערוך את חלונות בחירת הנפח. לאחר מכן, לחצו על "Start" כדי לבצע רקונסטרוקציה ליצירת קובץ הנפח המכיל את הנתונים התלת-ממדיים. כדי להכין מערך תמונות (image stack) שניתן לעבד ב-RooTrak, טענו את קובץ הנפח לתוך ImageJ על ידי לחיצה על File, Import, Raw, ולאחר מכן בחירה של קובץ הנפח.כדי למקסם את ניגודיות התמונה בין השורש לקרקע, לחצו על הלשונית "Image", לאחר מכן בחרו ב-"Adjust Brightness/Contrast" ובחרו באפשרות Auto. כאשר אזור העניין (region of interest) נראה בבירור, ההגדרות נחשבות לאופטימליות. שמרו את התמונות כערימת תמונות (image stack) בפורמט JPEG, BMP או PNG על ידי לחיצה על "Save As" ובחירה ב-"Image Sequence".כדי לעבד ב-RooTrak לצורך סגמנטציה של השורש, יש לבחור בלשונית "Tools" ולבחור ב-Tracker. לאחר מכן, לחצו פעמיים על אזור ההזנה הלבן בתיבת הדיאלוג כדי לטעון מחסנית תמונות. לאחר טעינת התמונות, בחרו בלשונית "Tracker" והגדירו נקודות זריעה (seed points) בתוך השורש על ידי לחיצה על מספר נקודות בתוך כל אחד מחלקי השורש הרלוונטיים הנראים בפרוס התצוגה העליונה של נתוני הנפח.הגדירו את פרמטר החלקות (smoothness) של הגשש ל-0.3 ואת הדמיון (similarity) ל-0.8. לחצו על השדה מתחת ל-"Output Directory" כדי לבחור תיקיית קבצים. לאחר מכן, לחצו על "Select Folder" ואז על "Start".לאחר מכן תופעל פונקציית המעקב. פעולה זו תעקוב אחר השורש החל מפרוסת התמונה העליונה ועד לפרוסה התחתונה. לאחר פתיחה וצפייה בנתוני הנפח, בחר את מספר הפרוסות בהתאם לנפח הנתונים הזמינים.בדוגמה המוצגת כאן, המעקב הופסק ב-200 פרוסות, השקולות לעומק של 6.2 millimeters, כאשר גבולות השורש הפכו לבלתי מוגדרים. כדי לבצע ניתוח נפח ושטח ב-ImageJ, המיר את ערימת התמונות מ-RooTrak לפורמט תמונה בינארי על ידי בחירה ב-Process, לאחר מכן Binary, ואז Make Binary. השתמש בתוסף הקוד הפתוח של ImageJ, BoneJ, כדי ליצור את הרשת המשולשת על ידי בחירה ב-Plugins, לאחר מכן BoneJ, ואז Isosurface.בחלון האפשרויות שייפתח, הגדירו את "Resampling" ואת "Threshold" לשישה ול-120, בהתאמה. לאחר מכן, סמנו את "Show surface" ולחצו על כפתור "OK". בצופה התלת-ממדי שייפתח, לחצו על לשונית "File".לאחר מכן לחצו על "Export surfaces" ושמרו כ-STL binary. לבסוף, פתחו את IMESHJ. טענו את קובץ ה-STL על ידי לחיצה על "Select STL File" והזינו את גודל הווקסל במיקרונים.לחצו על "Enter Voxel Size" והזינו 31 microns, ולאחר מכן לחצו על "OK" פעמיים. לחצו על "Calculate Surface Area" כדי לקבל את שטח הפני השטחי הכולל של שורשי הדגימה בממ"ר. לאחר מכן, לחצו על "Calculate Volume" כדי לקבל את הנפח הכולל של שורשי הדגימה בממ"ק.כאן מוצגת הדגימה, המורכבת משני גבעולים של עשב prairie dropseed מקומי, Sporobolus heterolepis, והקרקע המקורית שסביבם. גודל הווקסל (voxel) של הנתונים המשוחזרים שהופקו היה כ-31 cubic microns. לאחר יצירת ערימה של תמונות והגברת הניגודיות בין השורשים לקרקע, הנתונים המשוחזרים הראו כי לשורש ולחלק מרכיבי הקרקע יש מקדמי ניחות (attenuation) של קרני X דומים מאוד, מה שהוביל לניגודיות גווני אפור מועטה עד אפס בתמונות.איור זה מציג נקודת זרע מייצגת שנבחרה בתוך חלק רלוונטי מהשורש, הנראה בחתך העליון של נתוני הנפח. באמצעות פרמטרי RooTrak המתוארים בסרטון זה, RooTrak ביצע סגמנטציה מוצלחת של כ-200 חתכים שנבחרו מנתוני הנפח, שביחד היו שקולים לעומק של 6.2 millimeters. סגמנטציה של השורש מוצגת גם באנימציה זו.בשלב זה, נעשה שימוש ב-ImageJ ליצירת משטח שווה-ערך (isosurface) במבנה רשת משולשים של הנפח התלת-ממדי, על בסיס הנתונים שהופקו על ידי RooTrak. הגדרות ברירת המחדל שנעשה בהן שימוש הפיקו משטח שווה-ערך מפורט בפרק זמן קצר יחסית. לבסוף, באמצעות IMESHJ, חושב שטח הפנים כ-351.87 square millimeters, והנפח שחושב היה 47.27 cubic millimeters.לאחר השליטה בפרוצדורה, ניתן לבצעה בחמישה שעות במידה והיא מבוצעת כהלכה. בעת ביצוע טכניקה זו, חשוב לזכור לפעול לפי כל נהלי הבטיחות. כמו כן, חשוב לזכור כי סגמנטציה של שורשים אפשרית רק כאשר קיים ניגוד רדיולוגי (X-ray contrast) מספיק בין השורש לבין הקרקע.בעקבות הליך זה, ניתן לדמיין ולנתח דגימות אחרות בעלות מבנים מסועפים, כגון עלי עצים, ריאות של בעלי חיים ובני אדם וכדומה, כדי לענות על שאלות נוספות, כמו אופן הצמיחה של רקמות חיות או הדרך שבה הן סובלות מתנאים מסוימים. לאחר פיתוחה, טכניקה זו סוללה את הדרך לחוקרים בתחום מדע הצמחים לחקור נושאים כגון עמידות לבצורת בצמחים מודל כמו Brachypodium. לאחר צפייה בסרטון זה, תהיה לכם הבנה טובה לגבי אופן הדמיית דגימת צמח באמצעות טומוגרפיה, כיצד להציג ויזואלית את מבנה השורשים שלה ולהפיק מידע כמותי על השורש מנתוני CT של קרני X בקרקע.אל תשכחו כי עבודה עם מכשור קרני X עלולה להיות מסוכנת, ויש להקפיד על נהלי הבטיחות הרלוונטיים בעת ביצוע טכניקה זו.

extracting-metrics-for-three-dimensional-root-systems-volume-surface

Research

JoVE Journal

Environment

סביבה

רזולוצית רנטגן טומוגרפיה ממוחשבת גבוהה (HRCT) היא טכניקת הדמיה לאבחון לא הרסנית שניתן להשתמש בו כדי ללמוד את המבנה והתפקוד של מערכת כלי דם צמח ב-3D. אנחנו מדגימים איך HRCT מאפשר חקר של רשתות העצה על פני מגוון רחב של רקמות צמח ומינים.

שימוש ברזולוציה גבוהה טומוגרפיה ממוחשבת כדי להמחיש את המבנה התל ממדים ופונקציה של הצמח vasculature

פרוטוקול זה מתאר תהליך לאיסוף מהיר של תמונות של שתילי ארבידופסיס להגיב לגירוי הכבידה באמצעות סורקים שטוחים, זמינים מסחרי. השיטה מאפשרת לכידה של תמונות ברזולוציה גבוהה נוחות לניתוח אלגוריתמים במורד הזרם זול, בנפח גבוה.

שימוש במשטח סורקים לאיסוף תמונות-פקע זמן ברזולוציה גבוהה של ארבידופסיס רוט Gravitropic התגובה

מחקר זה מציג שיטה החפירה לחקירת הידרולוגיים מתחת לפני הקרקע, גיאוכימיים, וההטרוגניות מיקרוביולוגיות של lysimeter אדמה. Lysimeter מדמה hillslope המלאכותי שהיה בתחילה בתנאי הומוגניות היה נתון כ -5,000 מ"מ של מים במשך שמונה מחזורים של השקיה ב תקופה של 18 חודשים.

חפירה באדמה Lysimeter עבור ההידרולוגי מצמידים, גיאוכימיות, וחקירות מיקרוביולוגיות

פרוטוקול ניסיוני מוצג להערכת מערכות שורשי צמחים שגדלו באדמה עם RGB והדמיה היפר-ספקטרלית. שילוב של סדרות זמן של תמונות RGB עם מידע כימומטרי מסריקות היפרספקטרליות מייעל תובנות לגבי דינמיקת שורשי הצמח.

RGB והדמיה ספקטרלי שורש הצמח Phenotyping ומחקר פיזיולוגיים: הגדרת הניסוי והדמיה פרוטוקולים

פרוטוקול זה מוצג לאפיין את התנאים הרטבה מורכבים של אטום נקבובי בינוני (פחמימן במאגר רוק) באמצעות תמונות תלת-ממדיות מתקבל על ידי רנטגן microtomography-תנאים מהסבא.

סרגל נקבובית הדמיה ואפיון של פחמימנים המאגר סלע Wettability-תנאים מהסבא בעזרת רנטגן Microtomography

נוף תהליכים רכיבים קריטיים היווצרות הקרקע, תפקיד חשוב בקביעת קרקע, מבנה מרחבי של נופים. אנו מציעים גישה חדשה באמצעות רגרסיה stepwise גורמים ראשיים כדי לחזות לחלוקת קרקע ואת פחמן אורגני אדמה מעבר סולמות מרחביים שונים.

השימוש של הרכיבים העיקריים עבור קנה מידה את סימון שבילים מודלים למיפוי פחמן אורגני הפצה אדמה וקרקע

אנו מספקים שיטה כדי לשפר את הניגודיות הקליטה רנטגן רקמת תירס מתאים סריקת טומוגרפיה microcomputed רגיל. על סמך CT תמונות, אנחנו מציגים את ערכה של זרימות עבודה של עיבוד תמונה עבור חומרים תירס שונים ביעילות לחלץ פנוטיפים מיקרוסקופיים של וסקולריים צרורות של תירס.

טכניקות Phenotyping בקנה מידה מיקרון של חבילות וסקולריים תירס מבוסס על צילום רנטגן טומוגרפיה Microcomputed

הפרוטוקול מתאר הליכים לרכישת טומוגרפיה מרחבית ברזולוציה גבוהה (CT) של אדמה גרעינית במהלך דחיסת טריצירית, ולהחיל טכניקות עיבוד תמונה לתמונות CT אלה כדי לחקור את ההתנהגות המכנית של התבואה הקרקע תחת טעינה.

ויזואליזציה של כישלון והתנהגות מכנית בקנה מידה מכני של קרקעות גרעיניות תחת הטיה באמצעות סינכרוטרון X-Ray מיקרו טומוגרפיה

פרוטוקול זה מציג זרימת עבודה עבור הדמיה דו-ממדית תת-מ"מ של מינים מרובים של חומרים מזינים אנאורגניים מזהמים ומינים מזהמים באמצעות מעברי צבע דיפוזיביים בסרטים דקים (DGT) בשילוב עם הדמיית ספקטרומטריית מסה. דגימה מסיסת וניתוח כימי ברזולוציה גבוהה מתוארים בפירוט למיפוי כמותי של מסיסים בריזוספרה של צמחים יבשתיים.

הדמיה דו מימדית וכימות של Labile, חומרים מזינים ומזהמים צמחיים אנאורגניים באדמה

Micro-CT הוא כלי לא הרסני שיכול לנתח מבנים צמחיים בתלת מימד. הפרוטוקול הנוכחי מתאר את הכנת הדגימה כדי למנף מיקרו-CT לניתוח מבנה ותפקוד צמחים טפיליים. מינים שונים משמשים כדי להדגיש את היתרונות של שיטה זו בשילוב עם תכשירים ספציפיים.

מינוף סריקת מיקרו-CT לניתוח אינטראקציות טפיליות בין צמח למארח

כאן אנו מראים כיצד לעבד ליבות עץ עם שרשרת כלים טומוגרפיה ממוחשבת רנטגן. למעט מיצוי כימי למטרות מסוימות, אין צורך בטיפול מעבדה פיזי נוסף. שרשרת הכלים יכולה לשמש להערכות ביומסה, לקבלת נתוני רוחב MXD/טבעות עצים וכן לקבלת נתונים כמותיים על אנטומיה של עץ.

ניתוח ליבת עץ עם טומוגרפיה ממוחשבת רנטגן

למד כיצד לחלץ מדדים כמותיים על מבני שורשי צמחים מנתוני טומוגרפיית רנטגן ממוחשבת באדמה. שיטה זו מאפשרת מחקר לא פולשני של צמחים בסביבתם הטבעית ותשובות לשאלות ביולוגיות מרכזיות.

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

גלה סרטונים נוספים