Met behulp van hoge resolutie Computed Tomography om de driedimensionale structuur en functie van Plant vaatstelsel Visualiseer

Summary

Hoge resolutie x-ray tomografie (HRCT) is een niet-destructieve diagnostische beeldvormingstechniek die kan worden gebruikt om de structuur en functie van planten vasculatuur in 3D onderzoeken. We laten zien hoe HRCT vergemakkelijkt verkenning van xyleem netwerken over een breed scala van planten weefsels en soorten.

Abstract

Hoge resolutie x-ray tomografie (HRCT) is een niet-destructieve diagnostische beeldtechniek met sub-micron resolutie capaciteit die nu wordt gebruikt om de structuur en functie van planten xyleem netwerk evalueren in drie dimensies (3D) (bv. Brodersen et al. . 2010; 2011; 2012a, b). HRCT beeldvorming is gebaseerd op dezelfde principes als medische CT systemen, maar een hoge intensiteit synchrotron x-ray source resulteert in hogere ruimtelijke resolutie en verlaagde beeldacquisitie tijd. Hier tonen we in detail hoe synchrotron gebaseerde HRCT (uitgevoerd bij de Advanced Light Source-LBNL Berkeley, CA, USA) in combinatie met Avizo software (VSG Inc, Burlington, MA, USA) wordt gebruikt om planten xyleem verkennen weggesneden weefsel en levende planten. Deze nieuwe imaging tool stelt gebruikers in staat verder te gaan dan de traditionele statische, 2D licht of electronenmicroscoop en studie monsters met behulp van virtuele seriële secties in elk vlak. Een oneindig aantal segmenten in elke oriëntatie ceen worden gemaakt op hetzelfde monster, een functie die fysiek onmogelijk is met traditionele microscopie methoden.

Resultaten tonen aan dat HRCT kan worden toegepast op zowel kruidachtige en houtachtige plantensoorten, en verschillende plantenorganen (bijvoorbeeld bladeren, bladstelen, stengels, stammen, wortels). Gepresenteerde cijfers hier ertoe bijdragen dat zowel een reeks representatieve planten vasculaire anatomie en het type van detail uit HRCT datasets, zoals scans voor kust redwood (Sequoia sempervirens), walnoot (Juglans spp.), Eik (Quercus spp.), En esdoorn ( Acer spp.) plantgoed aan zonnebloemen (Helianthus annuus), wijnstokken (Vitis spp.), en varens (Pteridium aquilinum en Woodwardia fimbriata). Uitgesneden en gedroogde monsters van houtige soorten zijn het gemakkelijkst te scannen en levert doorgaans de beste foto's. Echter, recente verbeteringen (dwz snellere scans en monster stabilisatie) maakte het Possbaar om deze visualisatie techniek te gebruiken op groen weefsels (bijv. bladstelen) en in levende planten. Bij gelegenheid enige krimp van gehydrateerde groene plant weefsels zal veroorzaken afbeeldingen om onscherpte en methoden om te voorkomen dat deze problemen worden beschreven. Deze recente ontwikkelingen met HRCT bieden veelbelovende nieuwe inzichten in fabriek vasculaire functie.

Introduction

Water wordt vervoerd van plantenwortels op de bladeren in een vasculair weefsel genaamd xyleem - een netwerk van onderling verbonden leidingen, vezels, en wonen, metabolisch actieve cellen. Transportfunctie van plantaardige xyleem moeten worden gehandhaafd om voedingsstoffen en water te leveren aan de bladeren voor fotosynthese, groei, en uiteindelijk overleven. Vervoer over water in xyleem leidingen kan worden verstoord wanneer de xyleem-netwerk in het gedrang komt door pathogene organismen. In reactie op dergelijke infecties installaties vaak gels, gommen en thyllen als middel om pathogeen spread isolaat (bv. McElrone et al. 2008; 2010). Droogte stress kan....

Protocol

Protocol gegevens die hieronder worden beschreven zijn speciaal geschreven voor het werk op de Advanced Light Source 8.3.2 bundellijn. Aanpassingen nodig zijn voor werkzaamheden op andere synchrotron faciliteiten. Een goede veiligheid en stralingsbescherming opleiding is vereist voor gebruik van deze faciliteiten.

1. Monstervoorbereiding voor levende planten

1. Verbouwen in ~ 10 cm diameter potten, en ervoor zorgen dat de stam (of gedeelte van de plant te scannen) en gecentreerd mogelijk verticaal georiënteerd in de pot. De fysieke afmetingen van de HRCT instrument hok op de Advanced Light Source grenzen levende planten naar ~ 1 m....

Results

Synchrotron HRCT scans zijn met succes geïmplementeerd op een breed scala van planten weefsels en diersoorten met behulp van bundellijn 8.3.2 (figuur 5), en hebben nieuwe inzichten in de structuur en functie van planten xyleem met een ongekende resolutie in 3D. De visualisatie en exploratie van de door de 3D ​​reconstructie (zoals geïllustreerd in figuren 6-8 en films 1-3) maken een precieze bepaling van de locatie en oriëntatie van structuren met het xyleem netwerken aan beide uitgesne.......

Discussion

Synchrotron HRCT biedt plantenbiologen met een krachtige, niet-destructieve tool om de innerlijke werking van plantaardige vaatstelsel verkennen in ongelooflijk veel details. Deze technologie is onlangs gebruikt om niet eerder beschreven anatomische structuren in grapevine xyleem die differentieel xyleem netwerkconnectiviteit te veranderen in verschillende grapevine soorten (Brodersen et al. 2012b, in press.) Te identificeren - deze connectiviteit kan drastisch veranderen, het vermogen van vasculaire p.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
See specifics listed above regarding equipment at the Advanced Light Source beamline 8.3.2