Wykorzystanie tomografii komputerowej o wysokiej rozdzielczości do wizualizacji trójwymiarowej struktury i funkcji naczyń krwionośnych roślin

Podsumowanie

Rentgenowska tomografia komputerowa (HRCT) o wysokiej rozdzielczości to nieniszcząca technika obrazowania diagnostycznego, która może być wykorzystana do badania struktury i funkcji naczyń krwionośnych roślin w 3D. Pokazujemy, w jaki sposób HRCT ułatwia eksplorację sieci ksylemu w szerokim zakresie tkanek i gatunków roślin.

Streszczenie

Rentgenowska tomografia komputerowa o wysokiej rozdzielczości (HRCT) to nieniszcząca technika obrazowania diagnostycznego z możliwością rozdzielczości submikronowej, która jest obecnie używana do oceny struktury i funkcji sieci ksylemu roślinnego w trzech wymiarach (3D) (np. Brodersen i in. 2010; 2011; 2012a,b). Obrazowanie HRCT opiera się na tych samych zasadach, co medyczne systemy tomografii komputerowej, ale synchrotronowe źródło promieniowania rentgenowskiego o wysokiej intensywności skutkuje wyższą rozdzielczością przestrzenną i krótszym czasem akwizycji obrazu. Tutaj pokazujemy szczegółowo, w jaki sposób synchrotron HRCT (wykonywany w Advanced Light Source-LBNL Berkeley, CA, USA) w połączeniu z oprogramowaniem Avizo (VSG Inc., Burlington, MA, USA) jest używany do badania ksylemu roślinnego w wyciętych tkankach i żywych roślinach. To nowe narzędzie do obrazowania pozwala użytkownikom wyjść poza tradycyjne statyczne mikrofotografie świetlne 2D lub elektronowe i badać próbki za pomocą wirtualnych przekrojów szeregowych w dowolnej płaszczyźnie. Na tej samej próbce można wykonać nieskończoną liczbę plastrów w dowolnej orientacji, co jest fizycznie niemożliwe przy użyciu tradycyjnych metod mikroskopowych.

Wyniki pokazują, że HRCT może być stosowany zarówno do gatunków roślin zielnych i drzewiastych, jak i do szeregu organów roślinnych (np. liści, ogonków liściowych, łodyg, pni, korzeni). Przedstawione tutaj rysunki pomagają zademonstrować zarówno zakres reprezentatywnej anatomii naczyń krwionośnych roślin, jak i rodzaj szczegółów wyodrębnionych ze zbiorów danych HRCT, w tym skanów sekwoi przybrzeżnej (Sequoia sempervirens), orzecha włoskiego (Juglans spp.), dębu (Quercus spp.) i klonu (Acer spp.), sadzonek drzew słoneczników (Helianthus annuus), winorośli (Vitis spp.) i paproci (Pteridium aquilinum i Woodwardia fimbriata). Wycięte i wysuszone próbki gatunków drzewiastych są najłatwiejsze do zeskanowania i zazwyczaj dają najlepsze obrazy. Jednak ostatnie ulepszenia (tj. szybsze skanowanie i stabilizacja próbki) umożliwiły zastosowanie tej techniki wizualizacji na tkankach zielonych (np. ogonkach liściowych) i na żywych roślinach. Czasami pewne skurczenie się uwodnionych zielonych tkanek roślinnych spowoduje rozmycie obrazów i opisano metody unikania tych problemów. Najnowsze osiągnięcia w zakresie HRCT dostarczają nowych, obiecujących informacji na temat funkcji naczyń krwionośnych roślin.

Wprowadzenie

Woda jest transportowana z korzeni roślin do liści w tkance naczyniowej zwanej ksylemem - sieci połączonych ze sobą przewodów, włókien i żywych, metabolicznie aktywnych komórek. Funkcja transportowa ksylemu roślinnego musi być utrzymana, aby dostarczać składniki odżywcze i wodę do liści w celu fotosyntezy, wzrostu i ostatecznie przetrwania. Transport wody w przewodach ksylemu może zostać zakłócony, gdy sieć ksylemu zostanie naruszona przez organizmy chorobotwórcze. W odpowiedzi na takie infekcje rośliny często wytwarzają żele, gumy i tylozy jako sposób na izolowanie rozprzestrzeniania się patogenów (np. McElrone i in. 2008; 2010). Stres związany z suszą może....

Protokół

Szczegóły protokołu opisane poniżej zostały napisane specjalnie do pracy na linii badawczej Advanced Light Source 8.3.2. Adaptacje mogą być wymagane do pracy w innych obiektach synchrotronowych. Do korzystania z tych obiektów wymagane jest odpowiednie szkolenie w zakresie bezpieczeństwa i promieniowania.

1. Przygotowanie próbki dla żywych roślin

1. Uprawiaj rośliny w doniczkach o średnicy ~10 cm i upewnij się, że główna łodyga (lub część rośliny, która ma być skanowana) jest jak najbardziej wyśrodkowana i zorientowana pionowo w doniczce. Fizyczne wymiary klatki instrumentu HRCT w Zaawansowanym Źródle Światła ograniczają żywe ro....

Wyniki

Skanowanie HRCT synchrotronem zostało z sukcesem zaimplementowane dla szerokiej gamy tkanek i gatunków roślin z wykorzystaniem linii wiązki 8.3.2 (Rysunek 5), dostarczając nowych informacji na temat struktury i funkcji ksylemu roślin z bezprecedensową rozdzielczością w 3D. Możliwości wizualizacji i eksploracji zapewnione przez rekonstrukcje 3D (zilustrowane na Rysunkach 6-8 oraz w Filmach 1-3) pozwalają na precyzyjne określenie lokalizacji i orientacji struktur w sieciach ksylemu zarówno.......

Dyskusja

Synchotron HRCT zapewnia biologom roślin potężne, nieniszczące narzędzie do badania wewnętrznego funkcjonowania naczyń krwionośnych roślin w niewiarygodnych szczegółach. Technologia ta została ostatnio wykorzystana do identyfikacji wcześniej nieopisanych struktur anatomicznych w ksylemie winorośli, które w różny sposób zmieniają łączność sieci ksylemu u różnych gatunków winorośli (Brodersen i in. 2012b, w druku) - ta łączność może drastycznie zmienić zdolność patogenów naczyniowych i zatorów do destrukcyjnego ro.......

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Zobacz szczegóły wymienione powyżej dotyczące sprzętu na linii badawczej Zaawansowanego Źródła Światła 8.3.2