Name: Het halen van Metrics voor Driedimensionale Root Systems: Volume en Surface Analysis van In-bodem X-ray Computed Tomography Gegevens (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-26T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 37 s
Description: Leer hoe je kwantitatieve gegevens over plantenwortels extraheert uit röntgencomputertomografiegegevens in de bodem. Deze niet-invasieve methode maakt gedetailleerde analyse van wortelstructuren mogelijk.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dit werk werd uitgevoerd in het Environmental Molecular Sciences Laboratory, een nationaal wetenschappelijk gebruikersfaciliteit gesponsord door het Department of Energy's Office of Biological and Environmental Research en gelegen in het Pacific Northwest National Laboratory.

Let op: De werking van een X-ray tomografie scanner vereist zowel algemene straling opleiding en instrument-specifieke veiligheidseisen straling training. Alle bijbehorende procedures om het laboratorium van de experimentator relevant moet worden gevolgd. 1. Root Imaging Opmerking: deze stap wordt de beeldvorming van een gras specimen gehouden in de oorspronkelijke bodem in een buisvormige plastic pot (een plastic buis met een diameter van 40 mm, een hoogte van 210 mm en een wanddikte van ongeveer 2 mm). <ol><li> Plaats potplant op het monster manipulator van het instrument op een gewenst voor het doel vergroting afstand. Voor een installatie in een diameter houder 2-inch, moet het monster bron afstand ongeveer 3 inch (7 cm). </li><li> Stel de X-ray scan-instellingen om een ​​optimale kleur (grijs-niveau) contrast image detector bereiken. Opmerking: Deze instellingen zijn beschikbaar in het instrument besturingssoftware gebruikt. <ol><li> Set X-ray energie-instellingen; 85 kV en 190 uA werden bij dit examenple. </li><li> Stel belichtingstijd. Hier, een relatief lange belichtingstijd van 1 seconde werd gebruikt voor een betere signaal-ruisverhouding. </li><li> Stel het aantal projecties en frames per projectie; 4 frames per projectie voor een totaal van 3142 projecties wordt voorgesteld voor een goede data statistieken. </li><li> Voer een schaduw correctie met behulp van de meting bovenvermelde voorwaarden door het tabblad &quot;Shading correctie&quot;, en klikken op &quot;Maak&quot;. Opmerking: De arcering compenseert voor de variatie in de respons van pixels van de beeldvormende inrichting wanneer verlicht met een constante reeks X-ray flux. Het proces duurt lege foto&#39;s (met voorbeeld uit stralengang) met de röntgenbundel ingeschakeld en met de bundel uitgeschakeld. Deze correctie wordt toegepast op alle foto&#39;s verzameld. </li><li> Kies de optie &#39;Minimaliseer ring artefacten &quot;(ook wel&quot; pendelen mode &quot;); het monster zal worden gedraaid in hoekig stappen, terwijl de projectie-beelden worden verkregen. Dit leidt tot DATeen overname in een trager tempo, maar helpt bij het elimineren ring artefacten. </li><li> Start de scan door te klikken op de &quot;Acquire&quot; knop onder het tabblad Acquisition (met de hierboven geschetste instellingen, afbeelding collectie zal ongeveer 4 uur duren). </li></ol></li></ol> Reconstructie 2. Gegevens Opmerking: Dit deel beschrijft de reconstructie van 3D-volume gegevens van het RAW-afbeeldingen (röntgenfoto van de CT-scan). <ol><li> Laad de ruwe gegevens in het programma. </li><li> Eerste en laatste beeld te vergelijken (ze moeten bijna identiek als het laatste beeld is genomen na een 360 o rotatie van het monster) om te zorgen dat het model niet verplaatsen of de scaninstellingen niet veranderen tijdens data-acquisitie. </li><li> Bereken het draaipunt (COR) door het tabblad &quot;Center of rotation&quot;, en te klikken op &quot;Start&quot;; gebruik opties &quot;Automatic&quot; COR vinden met &quot;hoge kwaliteit&quot; nauwkeurigheid, en de &quot;Dual&quot; (boven en onder) slice sverkiezing voor COR berekening. </li><li> Selecteer het monster volume te reconstrueren: selecteer het tabblad &quot;Volume&quot;, en het volume selectie ramen met behulp van de miniaturen te bewerken. </li><li> Voer de wederopbouw van het volume-bestand met 3D-data te creëren door te klikken op &quot;Start&quot;. </li></ol> 3. Data Processing / Segmentatie Opmerking: Dit deel beschrijft de stappen die moeten worden genomen om de gereconstrueerde gegevens voor verdere verwerking in het programma RooTrak wortels volgen bereiden zoals ze vertakken in de bodem, en het isoleren van de wortels van alle omringende materiaal om een ​​stapel van binaire beelden van alleen de productie van wortel zelf. <ol><li> Verwerking van datavolume in ImageJ een RooTrak afbeelding verwerkbare stapel te bereiden: <ol><li> Laad het volume-bestand in ImageJ. </li><li> Optimaliseer het contrast tussen de wortel en de bodem door het aanpassen van de helderheid en contrast (Klik op de afbeelding / Aanpassen / Helderheid / Contrast). Wanneer de regio van belang binnen het beeld zichtbaar is en clearly onderscheiden, worden de instellingen beschouwd geoptimaliseerd. </li><li> Opslaan als een afbeelding stapel in jpeg, bmp of png-formaat. </li></ol></li><li> Verwerking in RooTrak segmenteren de wortel: <ol><li> Load image stapel in RooTrak (ga naar het tabblad &quot;Extra&quot;, en druk op &quot;Tracker&quot;). </li><li> Stel zaad punten binnen root: klik op een aantal punten in elk van de betreffende baanvakken zichtbaar in de top slice van het datavolume uitzicht. </li><li> Stel tracker parameters &quot;gladheid&quot; en &quot;Gelijkenis&quot; naar 0,3 en 0,8, respectievelijk. </li><li> Voer de tracking-functie. Dit zal de wortel volgen vanaf de bovenkant slice helemaal naar de bodem slice. </li><li> Na het bekijken van de hoeveelheid data, selecteer het aantal schijfjes op basis van de bruikbare hoeveelheid gegevens; in dit geval werd het volgen gestopt bij 200 segmenten, overeenkomt met een diepte van 6,2 mm, waarbij wortel grenzen werd slecht gedefinieerd (het beeld van het gevolgde wortel begon te mengen in dat van de bodem). Merk opafbeeldingsstapel geproduceerd wordt automatisch opgeslagen naar de plaats waar de output directory is gemaakt. </li></ol></li></ol> 4. Volume en Surface Analysis Opmerking: Deze stap beschrijft de isosurface maas generatie uit de afbeelding stapel gecreëerd door RooTrak. <ol><li> Omzetten image stapel uit RooTrak in een binair beeldformaat in ImageJ. Selecteer &quot;Process&quot;, dan &quot;Binary&quot;, dan &quot;Make Binary&quot;. </li><li> Gebruik de open-source ImageJ plugin, BoneJ, de driehoekige mesh te creëren; in ImageJ selecteer &quot;Plugins&quot;, dan &quot;BoneJ&quot;, dan &quot;isosurface&quot;. </li><li> Stel &quot;Resampling&quot; en &quot;Threshold&quot; tot en met 6 en 120, respectievelijk (standaardinstellingen). Vink &quot;Show oppervlak&quot;, en druk op de knop &quot;OK&quot;. </li><li> Op de &quot;3D-viewer&quot; klik op het tabblad Bestand en vervolgens op &quot;Export vlakken&quot;, vervolgens opslaan als &#39;STL (binary) &quot;. </li><li> Open imeshJ, selecteer het STL bestand en voert voxel grootte in micron. Klik op &#39;Calculate Oppervlakte &quot;naar de totale steekproef wortel oppervlakte Op dezelfde manier te verwerven in 2 mm., klikt u op&quot; Bereken Volume &quot;om de totale steekproef rootvolume verkrijgen mm 3. </li></ol>

<ol><li>MATLAB. , The Mathworks, Inc. Available from: 
	
	 <a target="_blank" href="http://www.mathworks.com/products/matlab">http://www.mathworks.com/products/matlab</a> (2015).</li>
<li>McKenzie, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Rhizosphere%3A+An+Ecological+Perspective%5BTitle%5D)+AND+%22Eur.+J.+Soil+Sci%22%5BJournal%5D)">The Rhizosphere: An Ecological Perspective.</a> Eur. J. Soil Sci. 59 (2), 416-417 (2008).</li>
<li>Farrar, J., Hawes, M., Jones, D., Lindow, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+roots+control+the+flux+of+carbon+to+the+rhizosphere%5BTitle%5D)+AND+%22Ecology%22%5BJournal%5D)">How roots control the flux of carbon to the rhizosphere.</a> Ecology. 84 (4), 827-837 (2003).</li>
<li>Gregory, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Roots+rhizosphere+and+soil%3A+the+route+to+a+better+understanding+of+soil+science%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Eur.+J.+Soil+Sci%22%5BJournal%5D)">Roots rhizosphere and soil: the route to a better understanding of soil science?</a> Eur. J. Soil Sci. 57 (1), 2-12 (2006).</li>
<li>Philippot, L., Raaijmakers, J. M., Lemanceau, P., van der Putten, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Going+back+to+the+roots%3A+the+microbial+ecology+of+the+rhizosphere%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Rev.+Microbiol%22%5BJournal%5D)">Going back to the roots: the microbial ecology of the rhizosphere.</a> Nat. Rev. Microbiol. 11 (11), 789-799 (2013).</li>
<li>Gregory, P. J., Hutchison, D. J., Read, D. B., Jenneson, P. M., Gilboy, W. B., Morton, E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-invasive+imaging+of+roots+with+high+resolution+X-ray+micro-tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+and+Soil%22%5BJournal%5D)">Non-invasive imaging of roots with high resolution X-ray micro-tomography.</a> Plant and Soil. 255 (1), 351-359 (2003).</li>
<li>Mairhofer, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((RooTrak%3A+Automated+Recovery+of+Three-Dimensional+Plant+Root+Architecture+in+Soil+from+X-Ray+Microcomputed+Tomography+Images+Using+Visual+Tracking%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Physiol%22%5BJournal%5D)">RooTrak: Automated Recovery of Three-Dimensional Plant Root Architecture in Soil from X-Ray Microcomputed Tomography Images Using Visual Tracking.</a> Plant Physiol. 158 (2), 561-569 (2012).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Soil-Water-Root+Processes%3A+Advances+in+Tomography+and+Imaging%22">Soil-Water-Root Processes: Advances in Tomography and Imaging</a>. Anderson, S. H., Hopmans, J. W. , Soil Science Society of America. United States. (2013).</li>
<li>Mairhofer, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recovering+complete+plant+root+system+architectures+from+soil+via+X-ray+mu-Computed+Tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Methods%22%5BJournal%5D)">Recovering complete plant root system architectures from soil via X-ray mu-Computed Tomography.</a> Plant Methods. 9, 8(2013).</li>
<li>Lorensen, W. E., Cline, H. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Marching+cubes%3A+a+high+resolution+3D+surface+construction+algorithm%5BTitle%5D)+AND+%22Comput.+Graph%22%5BJournal%5D)">Marching cubes: a high resolution 3D surface construction algorithm.</a> Comput. Graph. 21 (4), 163-169 (1987).</li>
<li>ImageJ: Image Processing and Analysis in Java. , Available from: 
	
	 <a target="_blank" href="http://imagej.nih.gov/ij">http://imagej.nih.gov/ij</a> (2014).</li>
<li>Lobet, G., Draye, X., Perilleux, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+online+database+for+plant+image+analysis+software+tools%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Methods%22%5BJournal%5D)">An online database for plant image analysis software tools.</a> Plant Methods. 9 (38), (2013).</li>
<li>Schmidt, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+iRoCS+Toolbox+-+3D+analysis+of+the+plant+root+apical+meristem+at+cellular+resolution%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+J%22%5BJournal%5D)">The iRoCS Toolbox - 3D analysis of the plant root apical meristem at cellular resolution.</a> Plant J. 77 (5), 806-814 (2014).</li>
<li>Galkovskyi, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((GiA+Roots%3A+software+for+the+high+throughput+analysis+of+plant+root+system+architecture%5BTitle%5D)+AND+%22BMC+Plant+Biol%22%5BJournal%5D)">GiA Roots: software for the high throughput analysis of plant root system architecture.</a> BMC Plant Biol. 12, 116(2012).</li>
<li>Clark, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3-Dimensional+Root+Phenotyping+with+a+Novel+Imaging+and+Software+Platform%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Physiol%22%5BJournal%5D)">3-Dimensional Root Phenotyping with a Novel Imaging and Software Platform.</a> Plant Physiol. 156, 455-465 (2011).</li>
<li>RootSnap!. , CID Bio-Science. Available from: 
	
	 <a target="_blank" href="https://www.cid-inc.com">https://www.cid-inc.com</a> (2013).</li>
<li>Skye Leaf Area and Analysis Systems and Root Length Measurement System. , Skye Instruments Limited. Available from: 
	
	 <a target="_blank" href="http://www.skyeinstruments.com/products/plant-analysis-systems/leaf-arearoot-length-systems">http://www.skyeinstruments.com/products/plant-analysis-systems/leaf-arearoot-length-systems</a> (2014).</li>
<li>Arsenault, J. L., Pouleur, S., Messier, C., Guay, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((WinRHIZO%E2%84%A2+a+root-measuring+system+with+a+unique+overlap+correction+method%5BTitle%5D)+AND+%22HortSci%22%5BJournal%5D)">WinRHIZO™ a root-measuring system with a unique overlap correction method.</a> HortSci. 30, 906-906 (1995).</li>
</ol>

We hebben niets te onthullen.

Een combinatie van X-ray computertomografie en diverse open-source programma&#39;s bleek een krachtige combinatie om niet-invasief beeld De installatie wortel monsters, segment wortel data, en extract kwantitatieve informatie (oppervlakte en volume) van de 3D-gegevens. Ons vermogen om te visualiseren en meten functies altijd beperkt door scanresolutie, en door beperkingen van de RooTrak software. Echter scanresolutie voldoende om de meeste van de kenmerken van het monster in deze studie vangen en RooTrak kon succesvol s...

Wortels, als onderdeel van de rhizosfeer 2-5, vormen een &quot;onzichtbare&quot; deel van plantenbiologie omdat bodem bemoeilijkt beeld wortels niet-invasief 6, 7. Echter bestuderen wortelgroei en interactie in het bodemmilieu is cruciaal inzicht root / plantengroei en nutriënten cycli, die op hun beurt van invloed zijn bebossing, voedselzekerheid, en het klimaat. X-ray computertomografie (XCT) heeft zich bewezen als een waardevol instrument voor niet-invasieve beeldvorming van plantenwortels monsters in hun lokale omgeving 8 zijn. Om de ontwikkeling van de wortels en dimensionele veranderingen onder verschillende omstandigheden te meten, en in staat zijn om gegevens uit verschillende datasets / exemplaren te vergelijken, moet men kwantitatieve informatie uit de tomografie gegevens kan opvragen. Segmentatie van de wortel gegevens van die van de omringende grond, dat wil zeggen de isolatie beeld de wortel van alles heen (inclusief, bijvoorbeeld een naburige plant) is een belangrijke stap voor accusize analyse tarief kan worden gedaan. Echter, een eenvoudige drempelwaarde aanpak is vaak niet haalbaar voor root data. De uitdagingen in verband met beeldvorming plantenwortels in de bodem omvatten variaties in de X-ray verzwakkingseigenschappen van het wortelmateriaal en de overlap in dempingswaarden tussen wortels en bodem door water en organisch materiaal. Deze kwesties zijn prachtig onlangs aangepakt door Mairhofer et al. in hun visuele tracking tool RooTrak 7, 9. De volgende stap na een succesvolle segmentatie is de nauwkeurige bepaling van de root volume en de oppervlakte. Het volume kan worden geschat door het tellen van het aantal voxels en te vermenigvuldigen met de voxels &#39;size blokjes zoals vóór 7. Voor een meer nauwkeurige bepaling van wortel oppervlakte en volume, kunnen de isosurface van de gesegmenteerde wortelstelsel worden vertegenwoordigd door een netwerk van driehoeken, met behulp van een algoritme bekend als Marching Cubes 10. De open source ImageJ 11 kan worden gebruikt om e benaderene root volume op basis van de Marching Cubes algoritme. Voor zover ons bekend, slechts een beperkt aantal open-source software gewijd aan de berekening van tomografie op basis van volume / oppervlak gegevens voor root specimens aan de centimeter bereik en vooral is momenteel beschikbaar 12. Een open-source software hebben we gekeken naar 13 richt zich op de wortelgroei en is gericht op mobiele features waardoor kwantitatieve volume analyse op single-cell resolutie. Een aantal open-source software gewijd aan het hele wortelstelsel 14 is uitstekend geschikt voor kleine diameter buisvormige root-systemen op basis van de onderlinge dat hun vorm is eigenlijk buisvormig. Sommige werken met 2D beelden zijn en niet kunnen verwerken 3D stapels 14. Bovendien kan de buisvorm onderlinge ongeldig wanneer wortelsystemen met ruwe oppervlakken en niet-uniforme vormen, zoals bomen, bestudeerd. Een andere benadering 15 maakt gebruik van tweedimensionale (2D) image sequenties rotatie innovatief omzeilen the nodig heeft voor een dure CT-scanner. Het meet, records en displays wortelstelsel lengtes. De software die we hebben getest uit die alleen in de handel verkrijgbaar 16-18; men niet kunnen verwerken 3D beeld stapels 16, de tweede is een bladoppervlak en wortellengte meetinstrument 17, terwijl de derde is gebaseerd op kleuranalyse 18. Op basis van dit onderzoek, stellen we voor dat een kosteloze optie die het oppervlak en het volume van de wortel benadert, ongeacht de vorm van 3D tomografie data gewenst is. Voortbouwend op de vrij beschikbare RooTrak en ImageJ, hebben we een programma, genaamd imeshJ ontwikkeld (zie Aanvullende Code File), die een isosurface mesh (oppervlakte stereolithografie file) gegenereerd uit gesegmenteerde wortel data verwerkt, en berekent het volume en de oppervlakte van de wortel van het doen van eenvoudige geometrische berekeningen op de maas driehoek index data. Hier beschrijven we een werkwijze die het gebruik van XCT-beelden worden gecombineerd,data reconstructie en visualisatie (software CT Pro 3D en VG Studio), segmentatie van de wortel van het monster uit de bodem in de 3D-data (open-source software ImageJ en RooTrak), en extractie van het oppervlak en het volume van informatie uit een driehoekige mesh (ImageJ en de computer code imeshJ).

<table><tbody><tr><td>X-Tek/Metris XTH 320/225 kV&nbsp;</td><td>Nikon Metrology</td><td></td><td>X-ray tomografiescanner</td></tr><tr><td>Inspect X</td><td>Nikon Metrology</td><td></td><td>Instrumentbesturingssoftware</td></tr><tr><td>CT Pro 3D</td><td>Nikon Metrology</td><td></td><td>Reconstructiesoftware, versie XT 2.2</td></tr><tr><td>VG Studio MAX</td><td>Visual Graphics GmbH</td><td></td><td>Visualisatiesoftware voor 3D-volumes, versie 2.1.5</td></tr><tr><td>ImageJ</td><td>Open-source</td><td></td><td>Afbeeldingsverwerkings- en analysesoftware, versie 1.6</td></tr><tr><td>RooTrak</td><td>Open-source</td><td></td><td>Wortelsegmentatiesoftware, versie 0.3.1-b1 beta</td></tr><tr><td>imeshJ</td><td>EMSL</td><td></td><td>MATLAB-script ontwikkeld door de auteurs</td></tr><tr><td>Prairie dropseed grass sample</td><td></td><td></td><td>Monster verkregen uit de grond in een woonwijk</td></tr></tbody></table>

het halen van metrics voor driedimensionale root systems: volume en surface analysis van in-bodem x-ray computed tomography gegevens

Extracting Metrics for Three-dimensional Root Systems: Volume and Surface Analysis from In-soil X-ray Computed Tomography Data

Plantenwortels spelen een cruciale rol in de plant-bodem-microbe interacties die plaatsvinden in de rhizosfeer, evenals processen met belangrijke implicaties voor de klimaatverandering en gewasbeheer. Kwantitatieve grootte informatie over de wortels in hun eigen omgeving is van onschatbare waarde voor het bestuderen van wortelgroei en ecologische processen met planten. X-ray computed tomografie (XCT) is aangetoond dat een effectief instrument voor in situ wortel scanning en analyse. Ons doel was om een ​​kosteloze en efficiënt instrument dat het oppervlak en het volume van de wortel benadert, ongeacht de vorm van driedimensionale (3D) tomografie gegevens te ontwikkelen. De wortel structuur van een Prairie dropseed (Sporobolus heterolepis) specimen werd in beeld gebracht met behulp van XCT. De wortel werd gereconstrueerd, en de primaire wortel structuur werd uit de gegevens gehaald met behulp van een combinatie van een licentie en open-source software. Een isosurface veelhoekige mesh werd vervolgens gemaakt voor het gemak van de analyse. We hebben ontwikkeld tHij standalone applicatie imeshJ, gegenereerd in MATLAB 1, root volume en de oppervlakte van de maas te berekenen. De uitgangen van imeshJ zijn oppervlak (in mm 2) en het volume (in mm 3). De werkwijze, gebruik van een unieke combinatie van instrumenten van beeldvorming wortel kwantitatieve analyse wordt beschreven. Een combinatie van XCT en open-source software bleek een krachtige combinatie om niet-invasief beeld De installatie wortel monsters, segment wortel data, en extract kwantitatieve informatie uit de 3D data. Deze methode van de verwerking van 3D-gegevens moet van toepassing zijn op ander materiaal / monster systemen waar sprake is van connectiviteit tussen componenten van soortgelijke X-ray demping en moeilijkheden ontstaan ​​met segmentatie zijn.

Het monster bestaat uit twee stammen van het natieve grasprairie dropseed (Sporobolus heterolepis) en de oorspronkelijke bodem eromheen is gemaakt van een woonwijk en in een kleine buisvormige houder gezien in figuur 1. De gereconstrueerde data voxel ongeveer 31 um x 31 urn x 31 urn. De gereconstrueerde volume file werd gebruikt om een stapel foto&#39;s maken op basis van een gekozen oriëntatie (bovenaanzicht) met behulp van de open-source beeldbewerkingsprogram...

Een methodologie voor het verkrijgen van visuele en kwantitatieve wortel structuur informatie van X-ray computertomografie data verkregen in de bodem wordt gepresenteerd.

Het halen van Metrics voor Driedimensionale Root Systems: Volume en Surface Analysis van In-bodem X-ray Computed Tomography Gegevens

Plant roots play a critical role in plant-soil-microbe interactions that occur in the rhizosphere, as well as processes with important implications to ...

Het algemene doel van deze procedure is het extraheren van kwantitatieve informatie over plantenwortels uit X-ray computed tomography-gegevens van de bodem. Deze methode om de wortelstructuur van levende planten te onderzoeken kan helpen bij het beantwoorden van cruciale vragen binnen de biologische wetenschappen, zoals de manier waarop planten reageren op veranderende omgevingsfactoren zoals droogte, microbiële activiteiten en dergelijke. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat deze niet-invasief is, waardoor we planten in hun natuurlijke omgeving, de bodem, kunnen bestuderen.Een visuele demonstratie van deze methode is waardevol, aangezien de procedure talloze stappen bevat, waaronder tomografische beeldvorming, datareconstructie en analyse, die zonder visuele ondersteuning onduidelijk kunnen zijn. Plaats voor het begin een potplant op de monstermanipulator van de röntgentomografie-scanner op de gewenste afstand voor de doelvergroting. Stel voor een plant in een houder met een diameter van twee inch de afstand tussen het monster en de bron in op ongeveer drie inch.Stel in de software voor instrumentbeheer de X-ray-vermogensinstellingen in op 85 kilovolts en 190 microamps. Stel vervolgens de belichtingstijd in op één seconde voor een betere signaal-ruisverhouding. Stel het aantal projecties in op 3.142 en het aantal frames per projectie op vier voor goede datastatistieken.Selecteer met de zojuist ingestelde scanparameters het tabblad "Shading Correction". Klik vervolgens op "New" en geefHet bestand voor de schaduwcorrectie een naam. Klik daarna op "Present" om de nieuwe condities te bevestigen.Klik vervolgens op "Create" en klik op "OK" om twee referentiebeelden te gebruiken. Klik daarna op "Generate". Wanneer het waarschuwingsvenster verschijnt, dient u het monster fysiek uit de straalpad te verwijderen voordat u op "OK" klikt. De schaduwcorrectie zal nu worden uitgevoerd.Klik nu op het tabblad "Acquisition". Geef het data bestand een naam en selecteer vervolgens "None" voor het röntgenfilter. Zorg ervoor dat het selectievakje "Minimise ring artefacts" is aangevinkt, zodat het monster in hoekstappen wordt geroteerd terwijl de projectiebeelden worden vastgelegd.Start tot slot de scan door op de knop "Acquire" te klikken. Laad de ruwe gegevens na acquisitie in het reconstructieprogramma. Vergelijk de eerste en laatste afbeeldingen door op "Blink" te klikken om er zeker van te zijn dat het preparaat niet is verschoven of dat de scaninstellingen niet zijn gewijzigd tijdens de gegevensacquisitie.Bereken het rotatiecentrum, of COR, door het tabblad "Center of rotation" te selecteren en de opties "Automatic COR finding" met "High Quality" nauwkeurigheid en "Dual slice selection for COR calculation" te gebruiken. Klik vervolgens op "Start" om de berekening uit te voeren. Nadat de COR is gevonden, klikt u op het tabblad "Volume" om het monster te selecteren dat moet worden gereconstrueerd.Gebruik de miniaturen om de selectievensters voor het volume te bewerken. Klik vervolgens op "Start" om de reconstructie uit te voeren en het volumebestand met 3D-gegevens te genereren. Om een beeldstack voor te bereiden die verwerkbaar is in RooTrak, laadt u het volumebestand in ImageJ door op Bestand, Importeren, Raw te klikken en vervolgens het volumebestand te selecteren.Om het beeldcontrast tussen de wortel en de bodem te optimaliseren, klikt u op het tabblad "Image", kiest u vervolgens "Adjust Brightness/Contrast" en selecteert u Auto. Wanneer het onderzoeksgebied duidelijk zichtbaar is, worden de instellingen als geoptimaliseerd beschouwd. Sla de beelden op als een beeldstack in JPEG-, BMP- of PNG-formaat door op "Save As" te klikken en "Image Sequence" te kiezen.Om de wortel in RooTrak te segmenteren, selecteert u het tabblad "Tools" en kiest u Tracker. Dubbelklik vervolgens op het witte invoerveld van het dialoogvenster om een stapel afbeeldingen te laden. Nadat de afbeeldingen zijn geladen, kiest u het tabblad "Tracker" en plaatst u startpunten in de wortel door op verschillende punten te klikken binnen elk van de relevante wortelsecties die zichtbaar zijn in de bovenzicht-doorsnede van de volumedata.Stel de tracker-parameter smoothness in op 0.3 en similarity op 0.8. Klik op het veld onder "Output Directory" om een map te kiezen. Klik vervolgens op "Select Folder" en klik op Start.De trackingfunctie zal vervolgens worden uitgevoerd. Hiermee wordt de wortel gevolgd vanaf de bovenste beeldsectie tot aan de onderste sectie. Selecteer na het openen en bekijken van de volumedata het aantal secties op basis van het bruikbare datavolume.In het hier getoonde voorbeeld werd het volgen gestopt bij 200 coupes, wat overeenkomt met een diepte van 6,2 millimeter, aangezien de wortelgrenzen daar onduidelijk werden. Om volume- en oppervlakteanalyse uit te voeren in ImageJ, wordt de beeldstapel uit RooTrak omgezet naar een binair beeldformaat door Process, Binary en vervolgens Make Binary te selecteren. Gebruik de opensource ImageJ-plugin BoneJ om het driehoekige netwerk te maken door Plugins, BoneJ en vervolgens Isosurface te selecteren.Stel in het optiesvenster dat opent 'Resampling' en 'Threshold' respectievelijk in op zes en 120. Vink vervolgens 'Show surface' aan en klik op de knop 'OK'. Klik in de 3D-viewer die nu opent op het tabblad 'File'.Klik vervolgens op "Export surfaces" en sla het bestand op als STL-binair. Open ten slotte IMESHJ. Laad het STL-bestand door op "Select STL File" te klikken en voer de voxelgrootte in microns in.Klik op "Enter Voxel Size", voer 31 microns in en klik vervolgens twee keer op "OK". Klik op "Calculate Surface Area" om het totale worteloppervlak van het monster in vierkante millimeters te bepalen. Klik daarna op "Calculate Volume" om het totale wortelvolume van het monster in kubieke millimeters te verkrijgen.Het specimen, bestaande uit twee stengels van het inheemse prairiegras Sporobolus heterolepis en de oorspronkelijke bodem eromheen, wordt hier getoond. De voxelgrootte van de gegenereerde gereconstrueerde gegevens was ongeveer 31 kubieke microns. Na het maken van een stack afbeeldingen en het verhogen van het contrast tussen de wortels en de bodem, bleek uit de gereconstrueerde gegevens dat de wortel en enkele componenten van de bodem zeer vergelijkbare röntgenabsorptiefactoren hebben, wat resulteerde in weinig tot geen grijswaardecontrast in de beelden.Deze figuur toont een representatief startpunt dat is geselecteerd binnen een relevant wortelsegment dat zichtbaar is in de bovenste plak van de volumedata. Met behulp van de in deze video beschreven RooTrak-parameters heeft RooTrak succesvol de geselecteerde ongeveer 200 plakken volumedata gesegmenteerd, wat overeenkomt met een diepte van 6,2 millimeters. De segmentatie van de wortel wordt ook gedemonstreerd in deze animatie.Hier werd ImageJ gebruikt om een driehoekig mesh-isovlak van het 3D-volume te genereren op basis van de door RooTrak geproduceerde gegevens. De gebruikte standaardinstellingen resulteerden in een gedetailleerd isovlak binnen een relatief korte tijd. Ten slotte werd met behulp van IMESHJ het oppervlak berekend op 351,87 vierkante millimeter en het berekende volume op 47,27 kubieke millimeter.Zodra deze procedure onder de knie is, kan deze in vijf uur worden voltooid mits correct uitgevoerd. Bij het toepassen van deze techniek is het belangrijk om alle veiligheidsprocedures te volgen. Daarnaast moet men er rekening mee houden dat wortelsegmentatie alleen mogelijk is als er voldoende röntgencontrast is tussen de wortel en de bodem.Door deze procedure te volgen, kunnen andere specimens met vertakkingsstructuren, zoals boombladeren, longen van dieren en mensen, enzovoort, worden afgebeeld en geanalyseerd om aanvullende vragen te beantwoorden, zoals hoe levende weefsels groeien of hoe ze bepaalde omstandigheden tolereren. Na de ontwikkeling maakt deze techniek de weg vrij voor onderzoekers in het veld van de plantwetenschappen om zaken als droogteresistentie in modelplanten zoals Brachypodium te onderzoeken. Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u een plantspecimen kunt afbeelden met tomografie, hoe u de wortelstructuur kunt visualiseren en hoe u kwantitatieve informatie over de wortel uit X-ray computed tomography-data in de bodem kunt extraheren.Vergeet niet dat het werken met röntgeninstrumentatie gevaarlijk kan zijn en dat de relevante veiligheidsprocedures gevolgd moeten worden bij het uitvoeren van deze techniek.

extracting-metrics-for-three-dimensional-root-systems-volume-surface

Research

JoVE Journal

Environment

Milieu

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.

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

Dit protocol beschrijft een werkwijze voor snelle verzameling afbeeldingen van Arabidopsis zaailingen reageren op een stimulus zwaartekracht met behulp van commercieel verkrijgbare flatbed scanners. De methode maakt het mogelijk voor goedkope, high-volume vastleggen van beelden met hoge resolutie vatbaar voor downstream analyse algoritmen.

Met behulp van flatbed scanners om High-resolution-Time vervallen Beelden van de Arabidopsis wortel gravitropic Response Collect

Deze studie geeft een opgraving methode voor het onderzoeken van ondergrondse hydrologische, geochemische en microbiologische heterogeniteit van een bodem lysimeter. De lysimeter simuleert een kunstmatig hillslope dat aanvankelijk onder homogene toestand en waren onderworpen aan ongeveer 5000 mm water over acht cycli van irrigatie in een periode van 18 maanden.

Soil Lysimeteronderzoek Opgraving voor Gekoppeld Hydrologisch, geochemische en microbiologische Onderzoeken

Een experimenteel protocol wordt gepresenteerd voor de beoordeling van de grond gekweekte plant wortelstelsel met RGB- en Hyperspectrale beeldvorming. Combinatie van RGB-afbeelding tijd serie met chemometric informatie van hyperspectrale scant optimaliseert inzichten in plant wortel dynamiek.

RGB- en spectrale Root Imaging voor Plant fenotypering en fysiologisch onderzoek: experimentele opzet en Imaging protocollen

Dit protocol is bedoeld om te karakteriseren van de voorwaarden van de complexe bevochtiging van een ondoorzichtig poreus medium (koolwaterstof reservoir rots) met behulp van drie-dimensionale beelden verkregen door microtomography van de X-ray op ondergrond voorwaarden.

Porie-schaal beeldvorming en karakterisering van koolwaterstof Reservoir Rock bevochtigbaarheid op ondergrond voorwaarden met behulp van de Microtomography van de X-ray

Landschap processen zijn kritieke onderdelen van bodemvorming en spelen een belangrijke rol bij het bepalen van de bodemeigenschappen en ruimtelijke structuur in landschappen. Wij stellen voor een nieuwe aanpak met stapsgewijze belangrijkste component regressie te voorspellen van herverdeling van de bodem en organische koolstof van de bodem op verschillende ruimtelijke schalen.

Gebruik van Principal Components voor schaalvergroting van modellen van de topografische kaart van herverdeling van de bodem en bodemverontreiniging organische koolstof

Wij bieden een nieuwe methode om het contrast X-ray absorptie van maïs weefsel geschikt voor het scannen van gewone microcomputed-tomografie. Op basis van CT-beelden, introduceren we een set van beeldverwerking workflows voor verschillende maïs materialen effectief uitpakken microscopische fenotypes van vaatbundels van maïs.

Micron-schaal fenotypering technieken van maïs vaatbundels gebaseerd op de X-ray Microcomputed tomografie

Het protocol beschrijft procedures voor het verkrijgen van hoge-ruimtelijke resolutie computertomografie (CT) beelden van een korrelige bodem tijdens triaxiale compressie, en het toepassen van beeldverwerkingstechnieken om deze CT-beelden te verkennen van de korrel schaal mechanisch gedrag van de bodem onder het laden.

Visualisatie van falen en het bijbehorende mechanische gedrag op korrel schaal van korrelvormige bodems onder afschuiving met behulp van Synchrotron X-Ray micro-tomografie

Dit protocol presenteert een workflow voor sub-mm 2D visualisatie van meerdere labiele anorganische nutriënten- en verontreinigingsolute soorten met behulp van diffusieve gradiënten in dunne films (DGT) in combinatie met massaspectrometrie beeldvorming. Solutebemonstering en chemische analyse in hoge resolutie worden in detail beschreven voor het kwantitatief in kaart brengen van soluten in de rhizosfeer van terrestrische planten.

Tweedimensionale visualisatie en kwantificering van labiele, anorganische plantennutriënten en verontreinigingen in de bodem

Micro-CT is een niet-destructief hulpmiddel dat plantstructuren in drie dimensies kan analyseren. Het huidige protocol beschrijft de monstervoorbereiding om micro-CT te gebruiken om de parasitaire plantstructuur en -functie te analyseren. Verschillende soorten worden gebruikt om de voordelen van deze methode te benadrukken in combinatie met specifieke preparaten.

Gebruik maken van micro-CT-scanning om parasitaire plant-gastheer interacties te analyseren

Hier laten we zien hoe boomkernen kunnen worden verwerkt met een röntgencomputertomografie-toolchain. Behalve voor chemische extractie voor sommige doeleinden, is er geen verdere fysieke laboratoriumbehandeling nodig. De toolchain kan worden gebruikt voor schattingen van biomassa, voor het verkrijgen van MXD/boomringbreedtegegevens en voor het verkrijgen van kwantitatieve houtanatomiegegevens.

Boomkernanalyse met röntgencomputertomografie

Leer hoe je kwantitatieve gegevens over plantenwortels extraheert uit röntgencomputertomografiegegevens in de bodem. Deze niet-invasieve methode maakt gedetailleerde analyse van wortelstructuren mogelijk.

Het halen van Metrics voor Driedimensionale Root Systems: Volume en Surface Analysis van In-bodem X-ray Computed Tomography Gegevens (Video) | JoVE Journal

Het halen van Metrics voor Driedimensionale Root Systems: Volume en Surface Analysis van In-bodem X-ray Computed Tomography Gegevens

Meer video's verkennen