三次元根系のための抽出メトリック：イン土壌のX線コンピュータ断層撮影データからボリュームおよび表面分析

サマリー

イン土壌取得したX線コンピュータ断層撮影データから視覚的および定量的な根の構造情報を得るための方法が提供されます。

要約

植物の根は、根圏で発生する植物土壌微生物の相互作用において重要な役割を果たしているだけでなく、気候変動と作物管理に重要な意味を持つプロセス。彼らのネイティブ環境での根に関する定量サイズ情報は、植物を伴う根の成長と環境のプロセスを研究するための非常に貴重です。 X線コンピュータ断層撮影（XCT） その場でのルート検索と分析のための効果的なツールであることが実証されています。我々は、費用がかから三次元（3D）断層撮影データから関係なく、その形状の根の表面と体積を近似する効率的なツールを開発することを目的としました。プレーリーdropseed（Sporobolus heterolepis）試料がXCTを使用して画像化したの根本構造。ルートを再構成し、そして一次根の構造は、ライセンスとオープンソースソフトウェアの組み合わせを使用して、データから抽出されました。等値面ポリゴンメッシュは、その後の分析を容易にするために作成されました。我々はトンを開発しました彼は、メッシュからのルートボリュームと表面積を計算するために、MATLAB ¹で生成されたアプリケーションimeshJを 、スタンドアロン。 imeshJの出力は、表面（ミリメートル^2）の領域と（mm ^3）のボリュームです。このプロセスは、定量的なルート分析イメージングのツールのユニークな組み合わせを利用して、記載されています。 XCTおよびオープンソースソフトウェアの組み合わせは、非侵襲的画像植物の根のサンプルを、セグメントルートデータ、3Dデータから定量的情報を抽出する強力な組み合わせであることが判明しました。 3Dデータを処理するこの方法は、セグメンテーションで生じる同様のX線減衰のコンポーネントと難し間の接続性がある他の材料/サンプルシステムに適用可能であるべきです。

概要

土壌は、非侵襲的に画像のルーツ^6、7にことを困難にするので、根は、根圏^2-5の一環として、植物生物学の「見えない」部分を表す。しかし、土壌環境の中に根の成長との相互作用を研究することは、理解に重要ですルート/植物の成長と栄養循環、今度は植林に影響を与え、食料安全保障、および気候。 X線コンピュータ断層撮影（XCT）は、それらのローカル環境⁸植物根サンプルの非侵襲的イメージングのための貴重なツールであることが証明されています。異なる条件下での根の発達と寸法変化を測定し、異なるデータセット/標本からのデータを比較することができるようにするために、一つは断層撮影データから定量的情報を抽出する必要があります。周囲の土壌とはルートデータのセグメンテーション、すなわち、その周囲他のすべて（を含む、例えば、隣接する植物）からルート・イメージの分離は、ACCUの前に重要なステップでありますレートサイズ分析を行うことができます。しかし、単純なしきい値のアプローチは、多くの場合、ルートデータのため実現不可能です。土壌中のイメージング植物の根に伴う課題は、ルート材料のX線減衰特性の変動、および水と有機物質によって引き起こされる根と土壌間の減衰値の重複を含みます。これらの問題は見事にMairhofer らによって最近対処されました。それらの視覚追跡ツールRooTrak ^7,9に。成功した分割後の次のステップは、ルート・ボリュームと表面積を正確に決意で....

プロトコル

注意：X線断層撮影スキャナの動作は、一般的な放射線のトレーニング、および商品特有の放射線安全教育の両方が必要です。実験者の研究室に関連するすべての対応手順に従うべきです。

1.ルートイメージング

注：このステップは（40ミリメートル、210ミリメートルの高さは、約2ミリメートルの壁の厚さの直径を有するプラスチックチューブ）チューブ状のプラスチックポットに元の土壌で開催された草の標本の撮像を説明します。

1. ターゲット倍率のために所望の距離での楽器のサンプルマニピュレータに鉢植えを置きます。直径2インチホルダー工場については、ソースの距離にサンプルは、約3インチ（7センチ）でなければなりません。
2. 最適な色（グレーレベル）検出器画像のコントラストを達成するために、X線スキャン設定を調整します。注：これらの設定は、使用する機器の制御ソフトウェアで提供されています。
   1. X線電源設定を設定します。 85 kVの190μAは、この試験で使用しましたPLE。
   2. 露光時間を設定します。ここでは、1秒の比較的長い露光時間は、より良好な信号対雑音比のために使用しました。
   3. 投影あたりの凸部とフレーム数を設定します。 3142突起の合計投影あたり4のフレームは、良好なデータの統計のために提案されています。
   4. 「シェーディング補正」タブを選択し、「作成」をクリックすることにより、上記設定された測定条件を用いてシェーディング補正を....

結果

2からなる試料は、天然の草プレーリーdropseed（Sporobolus heterolepis）の茎とその周りに元の土壌は、住宅地から採取し、 図1に見られる小さなチューブ状のホルダーに配置。再構成されたデータのボクセルサイズは約31でしたμmでのx 31ミクロンのx 31ミクロン。再構成されたボリュームのファイルがオープンソースの画像処理プログラムImageJの1.6 ^11を使用して選択された向き（上面図）からの画像のスタックを作成するために使用されました。ボリュームデータはまた、根と土壌の値の間のコントラストを高めるために、このプログラムで明るくしました。復元されたデータから、根や土壌、最も可能性の高い有機物の一部のコンポーネントは、画像内の無グレースケールコントラストに少し、その結果は非常に類似したX線減衰係数（ 図2）を有していることが明らかとなりました。

ディスカッション

X線コンピュータ断層撮影法、いくつかのオープンソースプログラムの組み合わせは、非侵襲的画像植物の根のサンプルを、セグメントルートデータ、3Dデータから定量的情報（面積、体積）を抽出する強力な組み合わせであることが判明しました。特徴を視覚化し、測定するための当社の能力は、常にスキャン解像度によって、ならびにRooTrakソフトウェアの制限によって制限されます。しかし、スキャン解像度は、本研究におけるサンプルの機能の大部分を捕捉するのに十分であった、とRooTrakが正常にセグメントルートの大部分をすることができました。この作業で採用RooTrakのバージョンは（上向き試料はここで研究にかなりの程度まで存在しなかった分岐）上向き走行ルートセグメントを追跡しませんでした。プログラムの新しいバージョンは、この問題^9に対応^しています。

はじめに示唆したように、文献の調査では、費用がかからソフトウェアオプションはルートvolumを計算することが示唆されましたセンチメートルの範囲内の上記検体の3次元断層撮影データからE /表面積が非常に望ましいでした.......

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
エックステック/メトリス XTH 320/225 kV	Nikon Metrology		X線断層撮影スキャナー
Inspect X	Nikon Metrology		機器制御ソフトウェア
CT Pro 3D	Nikon Metrology		Reconstruction software, version XT 2.2
VG Studio MAX	Visual Graphics GmbH		3Dボリューム用可視化ソフトウェア version 2.1.5
	ImageJ		オープンソース画像処理および分析ソフトウェア、バージョン1.6
RooTrak	オープンソース		ルートセグメンテーションソフトウェア、バージョン0.3.1-b1
imeshJ	EMSL		MATLABスクリプトは、著者によって開発されました
プレーリードロップシードグラスサンプル			住宅地の地面から得られたサンプル

ベータ