Wyodrębnianie metryk dla trójwymiarowych systemów korzeniowych: analiza objętości i powierzchni z danych rentgenowskiej tomografii komputerowej w glebie

Podsumowanie

Przedstawiono metodologię uzyskiwania wizualnych i ilościowych informacji o strukturze korzeni z danych rentgenowskiej tomografii komputerowej uzyskanych w glebie.

Streszczenie

Korzenie roślin odgrywają kluczową rolę w interakcjach roślina-gleba-mikroorganizmy, które zachodzą w ryzosferze, a także w procesach mających ważne implikacje dla zmian klimatycznych i zarządzania uprawami. Ilościowe informacje o wielkości korzeni w ich naturalnym środowisku są nieocenione w badaniu wzrostu korzeni i procesów środowiskowych z udziałem roślin. Wykazano, że rentgenowska tomografia komputerowa (XCT) jest skutecznym narzędziem do skanowania i analizy korzeni in situ. Naszym celem było opracowanie bezkosztowego i wydajnego narzędzia, które przybliża powierzchnię i objętość korzenia niezależnie od jego kształtu na podstawie danych z tomografii trójwymiarowej (3D). Strukturę korzeni preparatu Sporobolus heterolepis, preriowego (Sporobolus heterolepis) zobrazowano za pomocą XCT. Rdzeń został zrekonstruowany, a podstawowa struktura korzenia została wyodrębniona z danych przy użyciu kombinacji licencjonowanego i otwartego oprogramowania. Następnie utworzono siatkę wielokątną izopowierzchniową w celu ułatwienia analizy. Opracowaliśmy samodzielną aplikację imeshJ, wygenerowaną w MATLAB¹, do obliczania objętości i powierzchni korzenia z siatki. Wyjściami imeshJ są pole powierzchni (w mm²) i objętość (w mm³). Opisano proces, wykorzystujący unikalną kombinację narzędzi, od obrazowania po ilościową analizę korzeni. Połączenie XCT i oprogramowania typu open source okazało się potężną kombinacją do nieinwazyjnego obrazowania próbek korzeni roślin, segmentacji danych korzeniowych i wyodrębniania informacji ilościowych z danych 3D. Ta metodologia przetwarzania danych 3D powinna mieć zastosowanie do innych systemów materiałów/próbek, w których istnieje łączność między składnikami o podobnym tłumieniu promieniowania rentgenowskiego i pojawiają się trudności z segmentacją.

Wprowadzenie

Korzenie, jako część ryzosfery^2-5, reprezentują "niewidzialną" część biologii roślin, ponieważ gleba utrudnia nieinwazyjne obrazowanie korzeni ^{6, 7}. Jednak badanie wzrostu korzeni i interakcji w środowisku glebowym ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia wzrostu korzeni/roślin i obiegu składników odżywczych, co z kolei wpływa na zalesianie, bezpieczeństwo żywnościowe i klimat. Rentgenowska tomografia komputerowa (XCT) okazała się cennym narzędziem do nieinwazyjnego obrazowania próbek korzeni roślin w ich lokalnym środowisku ⁸. Aby zmierzyć rozwój korzeni i zmiany wymiarowe w różnych warunkach oraz móc porównać dane z różnych zestawów dan....

Protokół

Przestroga: Obsługa skanera tomografii rentgenowskiej wymaga zarówno ogólnego szkolenia w zakresie promieniowania, jak i szkolenia w zakresie bezpieczeństwa radiacyjnego specyficznego dla danego instrumentu. Należy przestrzegać wszystkich odpowiednich procedur odnoszących się do laboratorium doświadczalnego.

1. Obrazowanie korzeni

Uwaga: W tym kroku opisano obrazowanie próbki trawy przechowywanej w pierwotnej glebie w rurowej plastikowej doniczce (plastikowa rurka o średnicy 40 mm, wysokości 210 mm i grubości ścianki około 2 mm).

1. Umieść roślinę doniczkową na manipulatorze próbki instrumentu w odległości pożądanej dla docelowego powiększenia.....

Wyniki

Próbka składająca się z dwóch pędów rodzimej trawy Sporobolus heterolepis (Sporobolus heterolepis) oraz oryginalnej gleby wokół niej została pobrana z obszaru mieszkalnego i umieszczona w niewielkim uchwycie w kształcie rurki, przedstawionym na Rysunku 1. Rekonstruowany rozmiar woksela danych wynosił około 31 µm x 31 µm x 31 µm. Plik zrekonstruowanej objętości posłużył do stworzenia stosu obrazów z wybranego ułożenia (widok z góry) przy użyciu otwartoźródłowego p.......

Dyskusja

Połączenie rentgenowskiej tomografii komputerowej i kilku programów typu open source okazało się potężną kombinacją do nieinwazyjnego obrazowania próbek korzeni roślin, segmentowania danych korzeniowych i wyodrębniania informacji ilościowych (powierzchni i objętości) z danych 3D. Nasza zdolność do wizualizacji i pomiaru cech jest zawsze ograniczona rozdzielczością skanowania, a także ograniczeniami oprogramowania RooTrak. Jednak rozdzielczość skanowania była wystarczająca, aby uchwycić większość cech próbki w tym badaniu.......

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
X-Tek/Metris XTH 320/225 kV	Skaner tomografii rentgenowskiej	firmy Nikon Metrology
Inspect X	Nikon Metrology	Oprogramowanie sterujące przyrządami
CT Pro 3D	metrologii		, wersja XT 2.2
VG Studio MAX	Visual Graphics GmbH		Oprogramowanie do wizualizacji objętości 3D, wersja 2.1.5
ImageJ	Open-source		Oprogramowanie do przetwarzania i analizy obrazu, wersja 1.6
RooTrak	Open-source		Oprogramowanie do segmentacji rootów, wersja 0.3.1-b1 beta
imeshJ	EMSL		MATLAB skrypt opracowany przez autorów
Próbka			z gruntu w obszarze mieszkalnym

Oprogramowanie do rekonstrukcji firmy Nikon trawy preriowej pobrana