プラントの脈管構造の三次元構造と機能を可視化するために、高分解能CTを用いた

Summary

高分解能X線CT（HRCT）が3Dで植物の血管系の構造と機能を研究するために使用することができる非破壊画像診断法である。我々は、HRCTは植物組織や種の広い範囲にわたって木部ネットワークの探索を容易にする方法を示しています。

Abstract

高分解能X線CT（HRCT）が（ 例えば Brodersen ら三次元（3D）で植物の木部ネットワークの構造と機能を評価するために使用されているサブミクロンの分解能を持つ非破壊画像診断法である、2010年、2011年、2012A、B）。 HRCTイメージングは​​医療用CTシステムと同じ原理に基づいていますが、より高い空間分解能で高輝度シンクロトロンX線源の結果と画像取得時間を減少させる。ここでは、Avizoソフトウェアとの組み合わせでHRCT（アドバンスト光源 - LBNLバークレー、カリフォルニア州、米国で実施）（VSG社、バーリントン、マサチューセッツ州、米国）が中の植物の木部を探索するためにどのくらい使われているシンクロトロンベースで詳細に実証切除した組織と生きた植物。この新しいイメージングツールは、ユーザーが従来の静的、2D光または任意の平面で仮想シリアルセクションを使用して電子顕微鏡写真および研究サンプルを越えて移動することができます。任意の方向cのスライスの数が無限同じサンプル、伝統的な顕微鏡法を用いて物理的に不可能である機能で行うこと。

結果はHRCTは草本と木本植物種、植物器官の範囲（ すなわち 、葉、葉柄、茎、幹、根）の両方に適用することができることを実証している。数値は代表プラント血管解剖や海岸レッドウッド（ セコイア ）、くるみ（ クルミ属属）、オーク（ コナラ属のもの）、メープルのためにスキャンを含むHRCTデータセットから抽出された細部の型の範囲の両方を実証する手助けここに提示され（ エイサー属）ヒマワリ（ ヒマワリ ）、ブドウ（ ヴィティス属）、シダ（ ワラビとコモチシダ属fimbriata）への苗木。木本種から摘出し、乾燥させたサンプルは、スキャンして、一般的に最良の画像を得ることが最も簡単である。しかし、最近の改善は（ つまり、より迅速なスキャンとサンプルの安定）それはPOSS作った緑色組織（ 例えば葉柄）にと生きた植物では、この可視化技術を使用してible。機会に水和した緑の植物組織のいくつかの収縮は画像がぼやけてしまいますと、これらの問題を回避するための方法が記載されている。 HRCTでこれらの最近の進歩は、プラント血管機能に有望な新しい洞察を提​​供します。

Introduction

相互接続された導管は、繊維、生活、代謝活性を有する細胞のネットワーク - 水は植物の根から木部と呼ばれる血管組織内の葉に輸送される。植物の木部の輸​​送機能は、光合成、成長し、最終的には生存のために葉に栄養分と水を供給するために維持されなければならない。木部ネットワークが病原性微生物によって感染されるとき木部導管内の水輸送が停止することがあります。このような感染症の植物への応答であることが多い（; 2010 例えば McElroneら2008）病原体の広がりを単離するための手段として、ゲル剤、ガム、およびチロースを生成します。干ばつストレスも木部の水輸送を制限することができます。植物が長引く​​干ばつ時の水を失うように、緊張が木部樹液で構築されています。緊張下に水が（ すなわち 、特定のしきい値にテンションが木部導管体に含まれる水分の列をキャビテーションのに十分大きくなる）準安定である。キャビテーションが発生した後、気泡（塞栓症）は、condを形成し、埋めることができますUIT、効果的にブロックして水の動き（タイリーとスペリー1989）、深海ダイバーにおける減圧症（ すなわち、 "曲がる"）に類似現象。

このトピックに関する歴史と現代文学（タイリー·ツィンマーマン、2002;ホルブルックら 、2005）の広大なボディにより実証されるように最適な植物関数の木部水輸送の重要性にもかかわらず、....

Protocol

以下に記述されているプロトコルの詳細は高度な光源8.3.2ビームラインでの仕事のために特別に書かれたものです。適応は、他の放射光施設での仕事のために必要となる場合があります。適切な安全性と放射線のトレーニングは、これらの施設を使用するために必要です。

1。生きている植物のためのサンプル調製

1. 〜直径10cmの鉢に植物を育てると、主茎（またはスキャンされる植物の部分）のように縦にポットの可能性と志向で中央に配置されていることを確認します。高度な光源の限界でHRCT楽器ハッチの物理的な寸法は、高さ約1mに植物を生きています。結果として、生きている植物のイメージングが最高の小さなポットで栽培苗/苗木上で実行されます。実験に応じて、さまざまな土壌タイプ（干ばつ実験などで）土壌水分量を制御するために使用することができ、柔軟なシュートを持ついくつかの植物（ 例えばブドウ）のために長いシュートは慎重tuのことができます後述のアクリルチューブにcked（ 図1および図2を参照）。
2. カスタムメイドの剛性アルミポットホルダーでライブ鉢植えをマウントします。天板高さは鉢の高さの範囲に対応するように調整することができます。プレートの上部は、土壌表面の上部に合わせ、2つの部分の板の中心からの植物が突出するように設計されている。ポットホルダーの目的は、植物の茎、振....

Results

Synchotron HRCTスキャンが正常にビームライン8.3.2（ 図5）を用いて植物組織や種の多種多様な上に実装されており、3Dで前例のない解像度で植物の木部の構造と機能に新たな洞察を提供してきました。 3D再構成（、 図6-8に示す、そして作品1-3）が提供する可視化と探査能力は両方摘出試料上と生きた植物における木部ネットワークとの構造の位置と方向の正確な測定を可能にします。

いくつかの状況では、サンプルの動きや意図しない振動が使えなくスキャン（ 例えば 図4）レンダリング、最終的な画像の歪みを引き起こしているが、スキャン時間を短縮するための改良が（連続断層撮影で）ので、このようなデータの損失の有害な影響を最小化している多くの以上のスキャンは、現在限られたビームタイムで完了することができます各ユーザーに割り当てられた。これらのより短いスキャン時間も塞栓症の広がりや修理などのプロセスのダイナミクスをキャプチャするための時間.......

Discussion

Synchotron HRCTは信じられないほど詳細に植物脈管構造の内部の仕組みを探求するための強力な、非破壊ツールで植物学者が用意されています。この接続性が大幅に広がる血管の病原体や塞栓の能力を変えることができる-この技術は差動で、様々なブドウの種（。マスコミでBrodersen ら 2012b）に木部のネットワーク接続を変更するブドウの木部に以前に記述されていない解剖学的構造を識別するために、最近使用された非破壊木部ネットワーク全体に。生きている植物の最初の成功のスキャンも塞栓症の広がりや修復（Brodersen ら 2010; McElrone ら 2012新作Phytologist 196（3）:661-665）のような動的プロセスの微細スケールの詳細を明らかにしている、との役割を巻き込むのを助けALS 8.3.2でHRCTにより提供塞栓空間分解能を修復する特定の生きている細胞の種類は、これが可能になりました。これらのプロセスと他のASPEに関する仕様木部ネットワークのCTSは依然としてとらえどころ-HRCTは、おそらく他の高解像度技術（ 例えば<.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Advanced Light Source beamline 8.3.2の設備については、上記の詳細を参照してください