Method Article

河川大型無脊椎動物の群集サイズ構造を決定するための自動画像処理

DOI:

10.3791/64320

⸱

January 13th, 2023

 ,  ,  , 
1Center for the Study of Mediterranean Rivers (CERM), Universitat de Vic - Universitat Central de Catalunya, 2Laboratoire Evolution et Diversité Biologique (EDB), UMR5174, Université Toulouse 3 Paul Sabatier, Centre national de la recherche scientifique (CNRS), Institut de Recherche pour le Développement (IRD), 3Department of Marine Biology and Oceanography, Institut de Ciències del Mar, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), 4Aquatic Ecology Group, Universitat de Vic - Universitat Central de Catalunya

In This Article

Summary

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この記事は、半自動イメージング手順を使用して、底生河川大型無脊椎動物に対応するデジタル化されたオブジェクトをスキャン、検出、分類、および識別するための適応プロトコルの作成に基づいています。この手順により、大型無脊椎動物群集の個々のサイズ分布およびサイズメトリックを約1時間で取得できます。

Abstract

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体の大きさは、自然界における摂動の影響を評価するための生物指標として使用できる重要な機能的形質です。群集サイズ構造は、分類群や生態系全体の人為的摂動を含む生物的および非生物的勾配に応答します。しかし、底生大型無脊椎動物などの小体生物(例えば、>500μmから数センチメートルの長さ)の手動測定には時間がかかります。群集サイズの推定を促進するために、ここでは、淡水生態系の生態学的状態を評価するために最も一般的に使用される生物指標の1つである、保存された河川大型無脊椎動物の個々の体のサイズを半自動で測定するプロトコルを開発しました。このプロトコルは、水サンプル用に設計されたスキャンシステムで海洋中動物プランクトンをスキャンするために開発された既存の方法論から適応されています。プロトコルは3つの主要なステップで構成されています:(1)河川大型無脊椎動物のサブサンプル(細かいサンプルサイズと粗いサンプルサイズの割合)をスキャンし、デジタル化された画像を処理して、各画像で検出された各オブジェクトを個別化します。(2)人工知能を通じて学習セットを作成、評価、および検証して、スキャンされたサンプルの残骸やアーティファクトから大型無脊椎動物の個々の画像を半自動的に分離する。(3)大型無脊椎動物群集のサイズ構造を描く。プロトコルに加えて、この作業にはキャリブレーション結果が含まれ、手順を大型無脊椎動物のサンプルに適合させ、さらなる改善を検討するためのいくつかの課題と推奨事項が列挙されています。全体として、結果は、河川大型無脊椎動物の自動体サイズ測定のための提示されたスキャンシステムの使用を支持し、それらのサイズスペクトルの描写が淡水生態系の迅速な生物評価のための貴重なツールであることを示唆しています。

Introduction

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底生大型無脊椎動物は、水域の生態学的状態を決定するための生物指標として広く使用されています1。大型無脊椎動物のコミュニティを説明するためのほとんどの指標は、分類学的指標に焦点を当てています。ただし、体のサイズを統合する新しいバイオアセスメントツールは、分類学的アプローチの代替的または補完的な視点を提供することが奨励されています2,3。

体のサイズは、代謝、成長、呼吸、運動などの他の重要な特性に関連するメタ特性と見なされます4。さらに、体の大きさは栄養の位置と相互作用を決定することができます5。個々の体のサイズとコミュニティのサイズクラスによる正規化バイオマス(または存在量)との関係は、サイズスペクトル6 として定義され、対数スケール7で個々のサイズが増加するにつれて正規化バイオマスの線形減少の一般的なパターンに従います。この線形関係の傾きは理論的に広く研究されており、生態系を横断する実証研究はそれを群集サイズ構造の生態学的指標として使用してきました4。生物多様性生態系機能研究に....

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Protocol

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注:ここで説明するプロトコルは、海洋メソ動物プランクトンのためにGorskyらによって開発されたシステムに基づいています27。スキャナー(ZooSCAN)、スキャンソフトウェア(VueScan 9x64 [9.5.09])、画像処理ソフトウェア(Zooprocess、ImageJ)、および自動識別ソフトウェア(プランクトン識別子)の手順の具体的な説明は、以前の参考文献32,33にあります。中部動物プランクトンに対する底生大型無脊椎動物のサイズを最適に調整するには、元のプロトコル32,33に従ってプロジェクトを作成したら、構成ファイルで最小サイズ(minsizeesd_mm)のパラメーターを0.3 mmに変更し、最大サイズ(maxsizeesd_mm)のパラメーターを100 mmに変更します。プロトコルに従うのを助けるために、これは作業チャートに要約されています(図1)。作成されたプロジェクトは、コンピューターの C フォルダーに格納され、PID_process、Zooscan_back、Zooscan_check、Zooscan_config、Zooscan_meta、Zoos....

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Results

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大型無脊椎動物サンプルのデジタル画像の取得
スキャンニュアンス:スキャントレイへのエタノール堆積
大型無脊椎動物についてシステムをテストしている間、いくつかのスキャンは質が低かった。背景の暗い飽和領域は、画像の通常の処理と大型無脊椎動物の個々のサイズの測定を妨げました(図2)。背景の飽和領域または高度にピクセル化された画像の出現にはいくつかの理由があります:(1)スキャントレイ上の生物の存在が多すぎます。(2)サンプル中の汚れの存在。(3)サンプルのプレビューとそのスキャンの間の遅延が不十分。(4)結露、汚れ、または水質の悪さのために質の悪い背景画像を画像処理に用いる33。大型無脊椎動物群集サンプルでは、水の代わりにエタノールを使用するとトレイに沈殿が発生し、スキャンの合間に水で適切にすすがれないと暗い影が形成されます。これは、鮮明な画像を取得し、スキャントレイガラスの関連する腐食を最小限に抑えるために不可欠です。

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Discussion

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Gorsky et al. 2010によって記述された方法論を河川大型無脊椎動物に適応させることで、淡水大型無脊椎動物の群集サイズ構造を推定する際の高い分類精度が可能になります。結果は、プロトコルがサンプル中の個々のサイズ構造を推定する時間を約1時間に短縮できることを示唆しています。したがって、提案されたプロトコルは、淡水生態系における摂動の影響を評価するための高速で統合的なバイオ指標としての大型無脊椎動物サイズのスペクトルの日常的な使用を促進することを目的としています。大型無脊椎動物のサイズスペクトルは、沿岸ラグーンの生態学的状態を評価するための成功した指標としてすでに使用されています22。プロトコルの開発により、無脊椎動物の集中的な調査を実施して、大きな空間的および時間的スケールをカバーするフィールドモニタリングキャンペーンが可能になります。

このプロトコルの目的は、分類を無視して、サンプリングされたコミュニティの個々のサイズ分布をすばやく取得することであるため、ここで提案されているような簡単な学習セットを作成することをお勧めしま.......

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Disclosures

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著者らは、潜在的な競合する利益を宣言していません。

Acknowledgements

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この研究は、スペイン科学イノベーション大学省(助成金番号RTI2018-095363-B-I00)の支援を受けました。CERM-UVic-UCCのメンバーであるエリア・ブレチャ、アンナ・コスタローザ、ライア・ヒメネス、マリア・イザベル・ゴンザレス、マルタ・ユトグラール、フランチェスク・ラック、ヌリア・セラレスには、大型無脊椎動物のフィールドサンプリングと実験室での選別に協力し、デビッド・アルベサにはサンプルスキャンに協力してもらいました。最後に、ジョセップ・マリア・ギリとマール科学研究所(ICM-CSIC)に、実験施設とスキャナー装置の使用に感謝します。

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
ビーカーラボボックス他の容器は、
イオン化水Icopresa を使用することができます。8420239600123エタノールを希釈するには
FunnelVitlab41094
ガラスバイアル 8 mlLabboxSVSN-C10-1951 バイアル/サブサンプル
ImageJ ソフトウェア 無料アクセスVersion 4.41o/ 画像処理ソフト
ラージフレームHydroptic ZooScan提供24.5 cm x 15.8 cm
Monalcol 96 (Ethanol 96)Montplet1050JE001
プランクトン識別ソフトフリーアクセスVersion 1.2.6/ 自動識別ソフト
ふるいCisa26852.2公称開口数 500µ 公称開口数 0,5cm
ピンセットボンドラインB5SAステンレス製、耐磁性、制酸
剤 VueScan 9 x 64 (9.5.09) ソフトウェアHydropticバージョン 9.0.51/ Sacn ソフトウェア
木製の針プラスチックまたは木製の針なら何でも使用可能
Zooprocess Software 無料アクセスバージョン7.14/画像処理ソフト
ZooScan Hydroptic54Version III/ スキャナー

References

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  1. Birk, S., et al. Three hundred ways to assess Europe's surface waters: An almost complete overview of biological methods to implement the Water Framework Directive. Ecological Indicators. 18, 31-41 (2012).
  2. Basset, A., Sangiorgio, F., Pinna, M.

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