Met behulp van hoge resolutie Computed Tomography om de driedimensionale structuur en functie van Plant vaatstelsel Visualiseer
April 5th, 2013
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.
Het algemene doel van deze procedure is om synchrotron gebaseerde röntgenmicrotomografietechnologie te gebruiken om de structuur en functie van vasculair transport in planten te onderzoeken. Dit wordt bereikt door eerst monsters voor te bereiden voor installatie in een klemmenhouder of de houder voor levende planten, ervoor te zorgen dat het te scannen gedeelte zo verticaal mogelijk is en noodzakelijke voorafgaande fysiologische metingen te doen. De tweede stap is om de voorbereide monsters of levende planten in de A LS Beamline 8.3 0.2 hutch te plaatsen en de hutch voor scannen te beveiligen.Volgende.
Na correcte positionering van het monster wordt de scan gestart. De laatste stap is om de werkstationcomputers te gebruiken om de kwaliteit van de scan te normaliseren, reconstrueren en evalueren voordat de gegevens worden doorgegeven aan een VISO voor het 3D-visualisatieproces. Uiteindelijk wordt röntgenmicrotomografie gebruikt om fijne details van de interconnecties en functionele status van het watergeleidende vaatweefsel in planten te onthullen.
Het belangrijkste voordeel van deze techniek boven bestaande methoden zoals serieel doorsnijden en lichtmicroscopie, is dat plantenweefsel in elke oriëntatie met ongekende resolutie kan worden onderzocht. Deze methode kan ons helpen sleutelvraagstukken in het veld van plantenbiologie te begrijpen, van fundamentele aspecten van watertransport in planten tot droogte- en vorsttolerantie tot hoe pathogenen systemisch in gastheerplanten bewegen. Dit protocol, zoals beschreven, is ontworpen voor werk aan de geavanceerde lichtbron.
8.3 0.2. Beamline-aanpassingen kunnen nodig zijn voor werk aan andere synchrotronfaciliteiten. Zorg ervoor dat u de veiligheids- en stralingstraining volgt die vereist is voor het gebruik van deze faciliteiten om te beginnen met de voorbereiding van monsters voor levende planten.
Laat planten eerst groeien in potten met een diameter van ongeveer 10 centimeter, waarbij u ervoor zorgt dat de hoofdstam of een ander deel van de plant dat zal worden gescand, zo gecentreerd mogelijk is en verticaal in de pot is georiënteerd. De fysieke afmetingen van de HRCT-instrumenthutch beperken levende planten tot ongeveer een meter hoog. Als gevolg hiervan wordt het beeldvormen van levende planten het beste uitgevoerd op zaailingen of jonge planten.
Groeiende in kleine potten gebruikt een op maat gemaakte stijve aluminium pothouder om de levende potplanten te monteren. De hoogte van de bovenplaat moet worden aangepast om een reeks pothoogtes te kunnen accommoderen. Hier is de bovenkant van de plaat ontworpen om uit te lijnen met de bovenkant van het grondoppervlak en de plant steekt uit het midden van de twee-delige plaat.
Eenmaal gemonteerd in de houder, meet u het stamwaterpotentieel met behulp van een SHO lander-stijl drukkamer of een clip-on bladparameter om de fysiologische status van de plant te bepalen voorafgaand aan het scannen. Draai een klein stukje koperdraad rond de stam om als een fiduciair te dienen om een consistente scanlocatie op planten te garanderen die herhaaldelijk zullen worden gescand. Plaats nu een dunwandige acrylcilinder over de plant bovenop de aluminium planthouder en zet deze vast met schroeven om het monster te stabiliseren.
Aanvullende plasticfolie, papieren handdoeken en tape moeten worden gebruikt om trillingen en beweging van plantendelen verder te minimaliseren, wat beeldvervormingen kan veroorzaken. Bevestig de aangepaste pothouder aan de luchtlagertrap en vergrendel deze op de juiste plaats, gepositioneerd tussen de röntgenbron en de beeldvormingssensor en camera-apparatuur. Zorg ervoor dat de stam zo verticaal mogelijk wordt geplaatst en centreer het monster op de magnetische klemmenplaat om ervoor te zorgen dat het in het gezichtsveld blijft. Tijdens rotatie kan vers plantmateriaal, meestal stengels of bladstelen, worden gescand na onmiddellijke verwijdering uit een levende plant.
Als het doel van het experiment is om het gehele xyleemnetwerk te visualiseren, moet het water in de vaten eerst worden geëvacueerd en vervangen door lucht. Om dit te doen, monteert u het monster in een slangerstijl drukkamer en drukt u perslucht of stikstof met lage druk gedurende ongeveer vijf minuten door het monster. Soorten verschillen in de tijd die nodig is om het vaatnetwerk te ontluchten.
Als het doel is om de mate van embolievorming in vers plantenweefsel te evalueren, snijdt u monsters uit de plant met behulp van een vers scheermes onder water. Vervolgens wikkelt u het monster in een laag paraform om uitdroging tijdens de scan te voorkomen, monteert u het monster in een boorhouder die is bevestigd aan een metalen plaat die is geschroefd in het centrum van de luchtlagertrap en oriënteert u het monster verticaal zoals eerder beschreven om ervoor te zorgen dat het monster in het gezichtsveld blijft. Om monsters van gedroogd houtachtig weefsel te bereiden, begint u met het snijden van monsters tot ongeveer zes centimeter lang.
Selecteer monsters die zo recht mogelijk zijn in het doelgebied van de scan en een diameter van ongeveer één centimeter hebben. De volgende stap is om het hele monster langzaam te dehydrateren om een optimale weefselmonstervisualisatie en beeldcontrast te garanderen. Plaats het houtachtige weefselmonster in een droogoven bij lage temperatuur om het monster langzaam te drogen zonder enige scheuring of splitsing van het weefsel te veroorzaken.
In sommige situaties kan het wenselijk zijn om een fiduciaal markeringspunt aan het monster te bevestigen. Dit zorgt ervoor dat de daaropvolgende dissectie en visualisatie met behulp van rasterelektronenmicroscopie kunnen worden georiënteerd naar specifieke punten in het HRCT-beeld. Om dit te doen, bevestigt u een metalen of glazen kraal of draad aan de buitenkant van de stam met behulp van parfum.
Monteer ten slotte het monster in de boorcontrole en centreer zoals hierboven beschreven voorafgaand aan het scannen. Bepaal de vergroting die het beste werkt voor uw toepassing. De A LS Beamline 8.3 0.2 die hier wordt gebruikt, heeft de mogelijkheid om te scannen met lenzen met vergroting van twee x vijf x en 10 x.
Stel de röntgenenergie in op 15 kilo elektron volt. Belichtingstijden zijn over het algemeen afhankelijk van de dikte en
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Dit artikel bespreekt het gebruik van hoog-resolutie röntgen-gecomputeerd tomografie (HRCT) om de structuur en functie van plantenvaatweefsel in drie dimensies te onderzoeken. De methode maakt een gedetailleerde exploratie van xyleemnetwerken in verschillende plantweefsels en -soorten mogelijk.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Plantenbiologie
- Vaattransport
- Beeldvormingstechnieken
Achtergrond
- HRCT is een niet-destructieve beeldvormingstechniek.
- Het biedt inzicht in de 3D-structuur van plantenvaatweefsel.
- De studie richt zich op xyleemnetwerken in verschillende plantsoorten.
- Het begrijpen van vaattransport is cruciaal voor de plantenfysiologie.
Doel van de studie
- Om synchrotron-gebaseerde röntgen-microtomografietechnologie te gebruiken.
- Om de structuur en functie van vaattransport in planten te onderzoeken.
- Om fijne details van watergeleidend vaatweefsel te onthullen.
Gebruikte methoden
- Voorbereiding van monsters voor scannen.
- Installatie van monsters in een chuck-houder of live plant-houder.
- Scannen met behulp van de A LS Beamline 8.3 0.2 hutch.
- Normalisatie, reconstructie en evaluatie van gegevens voor 3D-visualisatie.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle beeldvorming van xyleemnetwerken in verschillende plantweefsels.
- Gedetailleerde visualisatie van vaatverbindingen.
- Inzichten in de functionele status van plantenvaatweefsel.
- Demonstratie van HRCT's mogelijkheden in plantenonderzoek.
Conclusies
- HRCT is een effectief hulpmiddel voor het bestuderen van plantenvaatsystemen.
- De techniek verbetert het begrip van plantenfysiologie.
- Toekomstig onderzoek kan HRCT aanwenden voor bredere toepassingen in de plantenbiologie.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
High-resolution computed tomography (HRCT) enables non-destructive 3D visualization of plant vascular systems, offering a powerful tool for mechanistic de-risking in early-stage target validation. By revealing fine structural and functional details of xylem networks, HRCT supports predictive confidence in understanding vascular transport mechanisms relevant to drought tolerance, pathogen resistance, and systemic signaling. This capability aids in prioritizing biological targets and pathways with translational relevance to crop improvement and stress resilience.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of vascular architecture and functional status to clarify hypotheses around water transport and stress response mechanisms.
- Operational Value: Provides reproducible, quantitative 3D datasets that reduce ambiguity in target validation workflows.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates standardized, high-resolution structural and functional readouts for comparative analysis across genotypes or treatment conditions.
- Operational Value: Supports assay readiness through virtual sectioning and consistent imaging protocols applicable to diverse plant models.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates continuity from discovery to preclinical evaluation by enabling longitudinal tracking of vascular changes in living plants under stress or pathogen challenge.
- Operational Value: Allows non-destructive, repeated scanning of the same sample, reducing variability and supporting robust preclinical de-risking.
Pipeline & Workflow Integration
HRCT fits within the discovery continuum from target hypothesis testing through lead identification to preclinical validation, particularly in studies focused on vascular function, stress adaptation, and systemic signaling in plant models.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by visualizing structural and functional dynamics of xylem networks in 3D.
- Screening: Enables assay standardization and reproducibility through virtual serial sectioning and quantitative morphometric analysis.
- Analytics: Delivers quantitative outputs such as vessel volume, length, width, and presence/absence of water or air, enabling comparative condition assessment.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by allowing functional tracking of vascular networks in live plants over time.
- Enterprise Reuse: Represents a reusable imaging platform applicable across multiple projects and model systems without consumable degradation.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence by reducing mechanistic ambiguity in vascular transport studies.
- Operational Value: Ensures standardization, reproducibility, and scalability across laboratories and facilities using synchrotron beamlines.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing early, high-fidelity biological data that reduces late-stage failure risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of targets based on validated vascular function and structural integrity.
Implementation Considerations
- Requires expertise in plant physiology, synchrotron radiation safety, and 3D image processing software such as Avizo or Fiji.
- Dependent on access to synchrotron facilities with appropriate beamline capabilities (e.g., ALS Beamline 8.3.2) and instrumentation for sample stabilization.
- Necessitates cross-team standardization of sample preparation, scanning protocols, and data analysis pipelines for reproducible results.
- Involves adaptation considerations across model systems, including adjustments for tissue hydration, sample size, and scanning orientation.
- Practical limitations include potential image blurring in hydrated green tissues due to shrinkage, requiring stabilization methods to maintain scan quality.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:47
Sample Preparation for Live Plants
4:24
Sample Preparation for Fresh, Excised Plant Tissue
5:44
Sample Preparation for Dried Woody Tissues
6:58
Scanning the Sample in the 8.3.2 Hutch
8:44
Data Processing, Visualization, and Quantification
10:29
Results: Plant Structure Images from the HRCT
11:23
Conclusion
