Micron-scala Phenotyping tecniche di mais fasci vascolari basato su x-Ray Microcomputed Tomography
9 ottobre 2018
Mettiamo a disposizione un nuovo metodo per migliorare il contrasto di assorbimento di raggi x del mais tessuto adatto per l'esame di tomografia microtomografia ordinaria. Basato sulle immagini di CT, introduciamo una serie di flussi di lavoro di elaborazione delle immagini per diversi materiali mais per estrarre efficacemente microscopici fenotipi dei fasci vascolari del mais.
Questo metodo può avere risposta a domande rapide nella costruzione di tecniche di fenotipizzazione su scala micron pianificate. Come le particelle di scansione micro-TC e il metodo di analisi fenotipica per i fasci vascolari di mais. Il principale vantaggio di questa tecnica è quello di fornire modi nuovi ed efficaci per indagare i tratti fenotipici del fascio vascolare di mais mediante preparazione del campione, scansione TC e analisi dei protocolli.
Le implicazioni di questa tecnica ampliano le applicazioni della scansione ordinaria della micro-TC e di altre scienze vegetali. Questo protocollo può essere facilmente modificato per ospitare altri materiali vegetali, come la disidratazione della procedura di essiccazione. Per iniziare, raccogli il gambo, la foglia e la radice dalle piante di mais fresche.
E dividerli in tre gruppi campione. Quindi, utilizzare una lama chirurgica per tagliare un segmento da uno a 1,5 centimetri dell'internode dello stelo centrale. Utilizzando la stessa lama chirurgica, tagliare un segmento da 1/2 a due centimetri dalla larghezza massima della foglia lungo la direzione verticale con la vena principale.
Utilizzare la lama chirurgica per tagliare un segmento di 1/2 centimetro dalla radice di terra. Successivamente, immergere i segmenti campione nella soluzione FAA per almeno tre giorni. Disidratare i segmenti campione per 30 minuti in sei gradienti sequenziali di etanolo.
Quindi posizionare i materiali vegetali nei cesti campione corrispondenti. Trasferire rapidamente i cestelli nella cella campione di un sistema di essiccazione a punti critici di anidride carbonica. Posizionare i materiali vegetali essiccati in un tubo di centrifuga da 50 millilitri con due grammi di iodio solido.
Quindi posizionare i tubi in una stanza a prova di luce per quattro o cinque ore. Innanzitutto, impostare i parametri di scansione CT in base al protocollo di testo. Quindi, impostare le gamme di scansione in base alle diverse dimensioni e volumi dei materiali vegetali utilizzati.
Quindi, regola le dimensioni dei pixel di imaging come segue:Due micrometri per la radice. 6,77 micrometri per lo stelo. E 10 micrometri per la foglia.
Per ricostruire le immagini slice, utilizzare il software di costruzione delle immagini per convertire i dati CT non elaborati in immagini ct slice con risoluzione 2K. Specificare innanzitutto il tipo di organo per inizializzare pipeline di algoritmi diverse nel software di imaging automatico. Quindi, fare clic sul pulsante dei parametri del metodo e selezionare lo stelo di mais, o foglia di mais, nella prima casella a discesa.
Fare clic sul pulsante di gestione dei dati, impostare la directory di lavoro e importare tutte le immagini delle sezioni nella directory. Quindi selezionare immagini singole o multi slice nelle pipeline di immagini. Determinare quindi la dimensione in pixel dell'immagine.
Selezionare il pulsante parametri del metodo e immettere la dimensione in pixel dell'immagine nell'elemento di modifica appropriato. Successivamente, fate clic sul pulsante di calcolo del fenotipizzazione per estrarre automaticamente le caratteristiche fenotipiche dei fasci vascolari per tutte le immagini slice selezionate. Fare clic sul pulsante di analisi statistica per generare i risultati di queste analisi come file di testo o CSV.
Importare le immagini ricostruite delle radici di mais e determinare i parametri di spazio accurati. Quindi usa lo strumento gaussiano ricorsivo per smussare le immagini e migliorare la qualità dell'immagine. Regolare i parametri di soglia per condurre la segmentazione 3D dei vasi metaxilem.
Ciò creerà un'etichetta di colore uniforme per ogni recipiente metaxylem collegato. Quindi, migliorare e identificare i vasi metaxilem in modo interattivo utilizzando la morfologia bit per bit e le operazioni di riempimento delle inondazioni. Successivamente, condurre una visualizzazione del volume e la ricostruzione superficiale dei vasi.
Infine, utilizzare lo strumento di statistica della maschera per contare e misurare i tratti fenotipici di un vaso ai livelli 2D e 3D. Usando l'analisi delineata nel protocollo, sono stati calcolati i tratti fenotipici dei fasci vascolari nei gambi, nelle foglie e nelle radici del mais. È stata creata una visualizzazione 3D generata dei vasi radice e metaxilem, utilizzando i risultati della segmentazione, ricostruzione e visualizzazione del volume.
Il corretto protocollo di preparazione del campione migliora significativamente la qualità di emissione della micro-TC per stelo, foglia e radice di mais. Con la tubazione di emissione automatica per estrarre rapidamente i tratti fenotipici dei fasci vascolari per stelo e foglia di mais. E la scansione di elaborazione della configurazione ed emissione per analizzare i tratti fenotipici 3D dei fasci vascolari per la radice di mais.
Questa tecnica fornisce un modo pratico per una qualifica fenotipico accurata e rapida e l'identificazione di fasci vascolari di mais.
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Panoramica
Questo studio presenta un nuovo metodo per migliorare il contrasto nell'assorbimento dei raggi X nei tessuti del mais, finalizzato a ottimizzare le procedure di scansione mediante microtomografia computerizzata (micro-TC). La tecnica supporta efficacemente l'analisi dei fasci vascolari nel mais, consentendo una valutazione fenotipica dettagliata attraverso un flusso di lavoro strutturato di elaborazione delle immagini.
Componenti Chiave dello Studio
Area di Ricerca
- Scienze vegetali
- Tecniche di microscopia e di imaging
- Analisi fenotipica
Sfondo
- Importanza dei fasci vascolari nel mais
- Necessità di tecniche di imaging migliorate per il fenotipaggio
- Applicazioni potenziali della scansione micro-TC avanzata
Metodi Utilizzati
- Scansione micro-CT
- Tessuti vegetali del mais (fusto, foglia, radice)
- Flussi di lavoro per l'elaborazione delle immagini
Risultati principali
- Estrazione efficace di tratti fenotipici dai fasci vascolari del mais
- Miglioramento della qualità di scansione e dei risultati di imaging
- Applicazione con successo del protocollo a diversi tessuti del mais
Conclusioni
- Il metodo migliora in modo significativo l'analisi dei fasci vascolari del mais.
- Dimostra utilità nel perfezionamento delle metodologie di fenotipizzazione vegetale.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La quantificazione accurata delle strutture anatomiche delle piante supporta la validazione degli obiettivi nella biotecnologia agricola, consentendo lo screening fenotipico di caratteri vascolari associati alla tolleranza allo stress e alla resa. Questo metodo aumenta la fiducia predittiva nella fase iniziale di scoperta fornendo un fenotipaggio ad alta produttività su scala micrometrica dei fasci vascolari del mais. Tale approccio colloca l'analisi dei caratteri basata sull'imaging come strumento scalabile per ridurre i rischi nell'identificazione di candidati promettenti nei percorsi di miglioramento delle colture.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi dell'architettura dei fasci vascolari per chiarire i tratti funzionali associati al trasporto dei nutrienti e alla risposta allo stress.
- Valore operativo: Automatizza l'estrazione di 31 tratti fenotipici di fusto/foglia e di 33 tratti fenotipici radicolari, riducendo la variabilità delle misurazioni manuali.
- Valore predittivo: Supporta lo screening fenotipico dei tratti vascolari per individuare priorità tra i target genetici con elevata ereditabilità e resistenza ambientale.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera metriche vascolari standardizzate 2D e 3D (volume, area superficiale) per il confronto riproducibile di tratti tra diversi genotipi.
- Valore operativo: Si integra con flussi di lavoro di micro-TC per creare saggi di imaging scalabili destinati allo screening fenotipico ad alto contenuto.
- Prontezza del saggio: Produce dati sui tratti in formato CSV, consentendo analisi statistiche successive e integrazione con algoritmi di apprendimento automatico.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Continuità traslazionale: Collega la fenotipizzazione vascolare nella fase di scoperta alla valutazione preclinica delle caratteristiche di efficienza nell'uso della siccità e dell'azoto.
- De-risking meccanicistico: Chiarisce le relazioni struttura-funzione nei fasci vascolari per ridurre l'ambiguità nella validazione degli obiettivi.
- Allineamento dei biomarcatori: Le metriche della morfologia dei vasi fungono da biomarcatori traslabili per l'integrità vascolare e la conducibilità idraulica.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si inserisce nel percorso dalla scoperta alla fase preclinica, consentendo l'analisi di caratteristiche vascolari che guidano la selezione del bersaglio e l'ottimizzazione del composto leader nei programmi di biotecnologia vegetale.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi sui geni coinvolti nello sviluppo vascolare mediante fenotipizzazione automatizzata della densità e della morfologia dei fasci.
- Screening: Fornisce caratteristiche vascolari quantitative e riproducibili per lo screening di librerie di mutanti o di panel di variazione naturale.
- Analisi dati: Offre output statistici (media, varianza, distribuzione) delle caratteristiche vascolari per consentire analisi comparative tra condizioni diverse.
- Ricerca traslazionale: Collega i fenotipi vascolari del fusto, delle foglie e delle radici alla performance della pianta intera in condizioni di stress.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce un protocollo di imaging riutilizzabile applicabile tra specie di monocotiledoni per la standardizzazione delle caratteristiche vascolari.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nella validazione degli obiettivi riducendo il rumore fenotipico mediante l'estrazione automatizzata di tratti ad alta risoluzione.
- Valore operativo: Standardizza la preparazione dei campioni e i parametri di acquisizione delle immagini per tessuti di fusto, foglia e radice, garantendo riproducibilità in tutto il laboratorio.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di avanzamento o interruzione nei flussi di lavoro dei tratti fornendo dati fenotipici vascolari in fase precoce con incertezza quantificata.
- Impatto sul portafoglio: Consente l'avanzamento dei bersagli genetici corretto per il rischio, basato su stime di stabilità e ereditabilità dei tratti vascolari.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche in anatomia vegetale, utilizzo di micro-TC e analisi delle immagini mediante pipeline informatiche.
- Necessita dell'accesso a scanner micro-TC con risoluzione voxel adattabile (2–10 μm) e software di ricostruzione.
- Esige la standardizzazione delle procedure di fissazione con FAA, disidratazione con etanolo e impiego del contrasto a base di iodio tra diversi laboratori.
- Richiede l'adattamento delle soglie di segmentazione per diversi tipi vascolari e specie diverse dal mais.
- È limitato dalle dimensioni del campione compatibili con le provette per centrifuga e dalla durata della colorazione nei tessuti densi.
Domande frequenti sulla biofarmaceutica
Chapters in this video
0:04
Title
0:52
Sample Preparation Protocol
2:19
Micro-CT Scanning Protocol
3:03
"Image Analysis for a Single CT Imageof a Maize Stem or Leaf"
4:06
Image Analysis Protocol for CT Image Series of a Maize Root
5:09
Results: Phenotypic Traits of Vascular Bundles in Maize Stems, Leaves, and Roots Computed
5:35
Conclusion
