공장 Vasculature의 3 차원 구조 및 기능을 시각화하기 위해 높은 해상도로 계산 된 단층 촬영을 사용하여

Summary

고해상도 X 선 계산 단층 촬영 (HRCT)는 3D로 공장 vasculature의 구조와 기능을 연구하는 데 사용할 수있는 비파괴 진단 이미징 기술이다. 우리는 식물 조직 및 종의 다양한 범위에 걸쳐 목부 네트워크 탐색을 용이하게하는 방법 HRCT 보여줍니다.

Abstract

고해상도 X 선 계산 된 단층 촬영 (HRCT)은 지금 (예 : Brodersen 외 삼차원 (3D)에 식물 목질부 네트워크의 구조와 기능을 평가하는 데 사용되는 하위 마이크론 해상도 기능을 갖춘 비파괴 진단 이미징 기술이다 . 2,010, 2,011, 2012a, b). HRCT 이미징은 의료 중부 표준시 시스템과 같은 원칙을하지만, 높은 공간 해상도의 높은 강도 싱크로트론 X-선 소스 결과에 따라와 이미지 획득 시간을 감소합니다. 여기, 우리는 Avizo 소프트웨어 (VSG 주식회사, 버 링턴, 미국 MA)와 함께 HRCT는 (고급 광원 - LBNL 버클리, CA, USA에서 수행)에 식물 목질부를 탐험하는 데 사용되는 방법을 싱크로트론 기반 상세 설명 조직 및 거실 식물을 excised. 이 새로운 이미징 도구는 사용자가 기존의 정적, 2D 빛이나 전자 micrographs 및 비행기에서 가상 시리얼 섹션을 사용하여 학습 샘플을 넘어 이동할 수 있습니다. 어떤 방향으로 C에서 조각의 무한한는 동일한 샘플 전통적인 현미경 방법을 사용하여 물리적으로 불가능 기능을 만들 수.

결과 HRCT는 풀의와 우디 식물 종 및 식물 기관의 범위 (즉, 잎, petioles, 줄기, 줄기, 뿌리) 모두에 적용 할 수 보여줍니다. 여기에 제시된 수치는 대표 식물 혈관의 해부학 적 구조의 범위와 해안 레드 우드 (세쿼이아 sempervirens), 호두 (Juglans 종.), 오크 (Quercus 종.)과 단풍 나무 (에 대한 검사를 포함 HRCT 데이터 집합에서 추출 세부 유형을 모두 보여 도움이 에이서 종은.) 나무 해바라기 (Helianthus annuus), grapevines (Vitis 종.), 그리고 양치 (Pteridium aquilinum 및 Woodwardia fimbriata)에 묘목. 우디 종 Excised 및 건조 샘플을 검사하고 일반적으로 가장 좋은 이미지를 얻을 수 있도록 쉬운입니다. 그러나, 최근 개선 (예 : 더 빠른 스캔 및 샘플 안정화)는 포스 한녹색 조직 (예 : petioles)와 식물이 시각화 기법을 사용 였죠. 계기로 수화 녹색 식물 조직의 일부 수축이 문제가 설명되어 있습니다 방지하기 위해 블러과 방법으로 이미지를 발생합니다. HRCT로이 최근 발전 플랜트 혈관 기능에 긍정적 새로운 통찰력을 제공합니다.

Introduction

상호 도관, 섬유, 생활, metabolically 활성 셀의 네트워크 - 물은 식물의 뿌리에서 목부라는 혈관 조직에있는 잎으로 이송되어 있습니다. 식물 목질부의 교통 기능은 광합성을위한 잎, 성장하고, 궁극적으로 생존에 영양분과 물을 공급하기 위해 유지해야합니다. 목부 네트워크가 병원성 미생물에 의해 손상되면 목부 도관의 물 운송이 중단 될 수 있습니다. 이러한 감염 식물에 대한 응답으로 자주 (; 2,010 예 McElrone 외 2008) 병원체 확산을 분리하는 수단으로 젤, 잇몸, 그리고 tyloses을 생산합니다. 가뭄 스트레스도 목질부에 물 전송을 제한 할 수 있습니다. 식물이 오랜 가뭄 때 물을 잃어으로 긴장은 목부의 수액에 구축합니다. 긴장 아래의 물은 (즉, 특정 임계 값에 긴장이 목부 도관에 포함 된 물 열을 cavitate 할 수있을만큼 훌륭한된다) metastable입니다. 캐비테이션이 발생하면 가스 기포 (색전증) cond를 형성하고 입력 할 수 있습니다uit, 효과적으로 차단 물 운동 (타 이리와 스페리 1989), 심해 다이빙의 감압 질병 (즉, "벤딩")와 유사한 현상.

로이 주제에 (. 타 이리 & Zimmermann, 2002, 홀 브룩

Protocol

아래에 설명 된 프로토콜 세부 정보는 고급 광원 8.3.2 빔라인에서 일을 구체적으로 작성되었습니다. 적응은 다른 싱크로트론 시설에서 일을해야 할 수도 있습니다. 적절한 안전 및 방사선 교육은 이러한 시설의 이용이 필요합니다.

1. 라이브 식물을위한 샘플 준비

1. ~ 10cm 직경의 냄비에 식물을 성장, 주요 줄기 (또는 스캔 할 식물의 부분)와 같은 냄비에 수직으로 가능한 방향으로 중심되어 있는지 확인합니다. 고급 광원 제한에서 HRCT 악기 하치의 물리적 크기는 높이 ~ 1m에 식물을 살고 있습니다. 결과적으로, 라이브 식물의 이미지는 가장 묘목 / 작은 화분에서 재배 묘목에 수행됩니다. 실험에 따라 다른 토양 유형은 토양 수분 콘텐츠 (가뭄 실험에 등) 제어하는 데 사용될 수 있으며, 유연한 촬영 (예 : 포도 나무)와 일부 식물에 대해 더 이상 촬영이 될 수 있습니다주의 TU아크릴 관에 cked은 (그림 1과 2 참조) 아래에 설명.
2. 주문 제작 강성 알루미늄 냄비 홀더에 라이브 화분에 담긴 식물을 탑재합니다. 상단 플레이트 높이가 냄비 높이의 범위를 수용 할 수 있도록 조정할 수 있습니다. 판의 상단은 토양 표면의 상단과 두 부분으로 판....

Results

Synchotron HRCT 스캔이 성공적으로 식물 조직 및 빔라인 8.3.2 (그림 5)를 사용하여 종의 다양한에서 구현되었으며, 3D로 전례없는 해상도 식물 목질부의 구조와 기능에 새로운 통찰력을 제공하고 있습니다. 3D reconstructions가 제공하는 시각화 및 탐색 기능 (같은 모양으로 6-8을 설명, 1-3 및 영화)가 excised 샘플 모두에서 목질부 네트워크와 구조의 위치와 방향의 정확한 결정와 식물에서 할 수 있습니다.

어떤 상황에서는, 샘플의 움직임이나 의도 진동를 사용할 수 없게 스캔 (예를 들면 그림 4) 렌더링, 최종 이미지에 왜곡을 야기했지만, 스캔 시간을 줄일 수있는 개선 (연속 단층 촬영 포함)로 인해 이러한 데이터 손실의 해로운 효과를 최소화 한 많은 자세한 검사는 현재 제한된 beamtime에 완료 할 수 있습니다각 사용자에게 할당.......

Discussion

Synchotron HRCT 믿을 자세히 식물 vasculature의 내부를 탐험 할 수있는 강력한, 비 파괴적인 도구를 사용하여 식물 생물 학자를 제공합니다. 이 연결이 크게 확산하기 위해 혈관 병원균과 emboli의 능력을 변경할 수 있습니다 -이 기술은 differentially 다양한 grapevine 종 (. 언론의 Brodersen 외 2012b)에 목질부 네트워크 연결을 변경 grapevine의 목부의 이전 undescribed 해부학 구조를 확인하기 위해 최근에 사용 된 destructively 목부 네트워크를 통해. 생활 식물의 첫 번째 성공 스캔도 색전증의 확산 및 수리 (Brodersen 외 2010; McElrone 외 2012 새로운 Phytologist 196 (3) :661-665)과 같은 동적 프로세스의 미세 규모의 세부 사항을 공개 한 및 역할을 연루 데 도움이 ALS 8.3.2에서 HRCT에서 제공 색전증 - 공간적 해상도를 수리의.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Advanced Light Source beamline 8.3.2의 장비에 대해 위에 나열된 세부 사항을 참조하십시오