Method Article

강변 거대 무척추 동물의 군집 크기 구조를 결정하기위한 자동 이미지 처리

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 기사는 반자동 이미징 절차를 사용하여 저서 강 거대 무척추 동물에 해당하는 디지털화 된 물체를 스캔, 감지, 정렬 및 식별하는 적응 된 프로토콜의 생성을 기반으로합니다. 이 절차를 통해 약 1 시간 내에 거대 무척추 동물 군집의 개별 크기 분포 및 크기 메트릭을 획득 할 수 있습니다.

Abstract

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신체 크기는 자연 공동체에서 섭동의 영향을 평가하기위한 생물학적 지표로 사용될 수있는 중요한 기능적 특성입니다. 공동체 크기 구조는 분류군과 생태계 전반에 걸친 인위적 섭동을 포함하여 생물학적 및 비 생물 적 구배에 반응합니다. 그러나 저서 거대 무척추 동물과 같은 작은 몸체의 유기체 (예 : >500 μm에서 수 센티미터 길이)의 수동 측정은 시간이 많이 걸립니다. 공동체 규모 구조의 추정을 촉진하기 위해 여기에서는 담수 생태계의 생태 상태를 평가하는 데 가장 일반적으로 사용되는 생물학적 지표 중 하나 인 보존 된 강 거대 무척추 동물의 개별 신체 크기를 반자동으로 측정하는 프로토콜을 개발했습니다. 이 프로토콜은 물 샘플용으로 설계된 스캐닝 시스템으로 해양 메조동물성 플랑크톤을 스캔하기 위해 개발된 기존 방법론에서 채택되었습니다. 프로토콜은 세 가지 주요 단계로 구성됩니다 : (1) 강 거대 무척추 동물의 하위 샘플 (미세하고 거친 샘플 크기 분율)을 스캔하고 디지털화 된 이미지를 처리하여 각 이미지에서 감지 된 각 물체를 개별화합니다. (2) 인공 지능을 통해 학습 세트를 생성, 평가 및 검증하여 스캔 된 샘플의 찌꺼기 및 인공물로부터 거대 무척추 동물의 개별 이미지를 반자동으로 분리합니다. (3) 거대 무척추 동물 군집의 크기 구조를 묘사합니다. 프로토콜 외에도 이 작업에는 보정 결과가 포함되며 거대 무척추 동물 샘플에 절차를 적용하고 추가 개선을 고려하기 위한 몇 가지 과제와 권장 사항을 열거합니다. 전반적으로이 결과는 강 거대 무척추 동물의 자동 신체 크기 측정을위한 제시된 스캐닝 시스템의 사용을 뒷받침하며 크기 스펙트럼의 묘사가 담수 생태계의 신속한 생물학적 평가를위한 귀중한 도구임을 시사합니다.

Introduction

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저서 거대 무척추 동물은 수역의 생태 상태를 결정하기위한 생물학적 지표로 널리 사용됩니다1. 거대 무척추 동물 군집을 설명하는 대부분의 지표는 분류 학적 메트릭에 중점을 둡니다. 그러나 신체 크기를 통합하는 새로운 생물학적 평가 도구는 분류 학적 접근법 2,3에 대한 대안 또는 보완적인 관점을 제공하는 것이 좋습니다.

신체 크기는 신진 대사, 성장, 호흡 및 운동과 같은 다른 중요한 특성과 관련된 메타 특성으로 간주됩니다4. 또한, 신체 크기는 영양 위치와 상호 작용을 결정할 수 있습니다5. 공동체의 크기 등급에 의한 개별 신체 크기와 정규화 된 바이오 매스 (또는 풍부) 사이의 관계는 크기 스펙트럼6 으로 정의되며 개별 크기가 로그 스케일7에서 증가함에 따라 정규화 된 바이오 매스의 선형 감소의 일반적인 패턴을 따릅니다. 이 선형 관계의 기울기는 이론적으로 광범위하게 연구되어 왔으며 생태계 전반에 걸친 경험적 연구는이를 공동체....

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Protocol

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참고 : 여기에 설명 된 프로토콜은 Gorsky et al.27이 해양 중동물 플랑크톤에 대해 개발 한 시스템을 기반으로합니다. 스캐너(ZooSCAN), 스캐닝 소프트웨어(VueScan 9x64[9.5.09]), 이미지 처리 소프트웨어(Zooprocess, ImageJ) 및 자동 식별 소프트웨어(Plankton Identifier) 단계에 대한 구체적인 설명은 이전 참조(32, 33)에서 찾을 수 있다. 중동물성 플랑크톤에 대한 저서 거대 무척추 동물의 크기를 가장 잘 조정하려면 원래 프로토콜 32,33에 따라 프로젝트가 생성되면 구성 파일에서 최소 크기(minsizeesd_mm)의 매개변수를0.3mm로, 최대 크기(maxsizeesd_mm)의 매개변수를 100mm로 변경합니다. 프로토콜을 따르는 데 도움이 되도록 작업 차트에 요약되어 있습니다(그림 1). 생성된 프로젝트는 컴퓨터의 C 폴더에 저장되며 PID_process, Zooscan_back, Zooscan_check,....

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Results

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거대 무척추 동물 샘플의 디지털 이미지 수집
스캔 뉘앙스: 스캔 트레이에 에탄올 침착
거대 무척추 동물에 대한 시스템을 테스트하는 동안 여러 스캔의 품질이 좋지 않았습니다. 배경의 어두운 포화 영역은 이미지의 정상적인 처리와 거대 무척추 동물의 개별 크기 측정을 방해했습니다 (그림 2). 배경에 포화 영역이 나타나거나 고도로 픽셀 화 된 이미지가 나타나는 몇 가지 이유가 주어졌습니다 : (1) 스캔 트레이에 너무 많은 유기체가 존재; (2) 샘플에 더러움의 존재; (3) 샘플의 미리보기와 스캔 사이의 불충분한 지연; 또는 (4) 결로, 더러움 또는 수질 불량으로 인해 품질이 좋지 않은 배경 이미지를 이미지 처리에 사용하는행위 33. 거대 무척추 동물 군집 샘플에서 물 대신 에탄올을 사용하면 트레이에 침전이 발생하여 스캔 사이에 물로 제대로 헹구지 않으면 어두운 그.......

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Discussion

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강변 거대 무척추 동물에 대한 Gorsky et al. 2010에 의해 설명 된 방법론의 적용은 담수 거대 무척추 동물의 공동체 크기 구조를 추정 할 때 높은 분류 정확도를 허용합니다. 결과는 프로토콜이 샘플에서 개별 크기 구조를 추정하는 시간을 약 1시간으로 줄일 수 있음을 시사합니다. 따라서, 제안 된 프로토콜은 담수 생태계에서 섭동의 영향을 평가하기위한 빠르고 통합 된 생물학적 지표로서 거대 무척추 동물 크기 스펙트럼의 일상적인 사용을 촉진하기위한 것이다. 거대 무척추 동물 크기 스펙트럼은 이미 해안 석호22의 생태 상태를 평가하기위한 성공적인 지표로 사용되었습니다. 프로토콜의 개발로 무척추 동물에 대한 집중적 인 조사를 수행하여 대규모 공간 및 시간 규모를 포괄하는 현장 모니터링 캠페인을 가능하게합니다.

이 프로토콜의 목적은 분류법을 무시하고 샘플링된 커뮤니티의 개별 크기 분포를 빠르게 얻는 것이므로 여기에서 제안한 것과 같은 간.......

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Disclosures

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저자는 잠재적 인 경쟁 이익이 없다고 선언합니다.

Acknowledgements

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이 작업은 스페인 과학 혁신 및 대학부(보조금 번호 RTI2018-095363-B-I00)의 지원을 받았습니다. CERM-UVic-UCC 회원인 Èlia Bretxa, Anna Costarrosa, Laia Jiménez, María Isabel González, Marta Jutglar, Francesc Llach 및 Núria Sellarès에게 거대 무척추동물 현장 샘플링 및 실험실 분류 작업과 샘플 스캐닝에 협력한 David Albesa에게 감사드립니다. 마지막으로 Josep Maria Gili와 Institut de Ciències del Mar (ICM-CSIC)에 실험실 시설 및 스캐너 장치 사용에 감사드립니다.

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
BeakerLabbox다른 용기는
Dionized waterIcopresa. 8420239600123에탄올 퍼널을 희석하려면
Vitlab41094
유리 바이알 8 mlLabboxSVSN-C10-1951 바이알/서브샘플
ImageJ 소프트웨어 무료 액세스버전 4.41o/ 이미지 처리 소프트웨어
대형 프레임수산  ZooScan 제공24.5 cm x 15.8 cm
Monalcol 96 (Ethanol 96)Montplet1050JE001
플랑크톤 식별자 소프트웨어무료 액세스버전 1.2.6/ 자동 식별 소프트웨어
SieveCisa26852.2공칭 조리개 500µ 및 공칭 조리개 0,5 cm
핀셋BondlineB5SA스테인리스, 항자성, 항산성
VueScan 9 x 64 (9.5.09) 소프트웨어수경화버전 9.0.51/ Sacn 소프트웨어
나무 바늘어떤 플라스틱이나 나무 바늘도 사용할 수 있습니다
Zooprocess 소프트웨어 무료 액세스버전 7.14/이미지 처리 소프트웨어
ZooScan Hydroptic54버전 III/ 스캐너
를 사용할 수 있습니다.

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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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