Nowy przepływ pracy dla próbkowania i digitalizacji rdzeni przyrostowych

Summary

Przedstawiamy protokół do używania drukowanych w 3D uchwytów do mocowania rdzeni przyrostowych w terenie, bez konieczności rozpakowywania i przyklejania ich do drewnianych mocowań. Nowy uchwyt GSC umożliwia umieszczenie rdzeni w mikrotomie rdzeniowym w celu przecięcia ich powierzchni i bezpośredniego przeniesienia ich do cyfrowego przechwytywania obrazu.

Abstract

Tutaj prezentujemy nowy przepływ pracy od pobierania rdzeni przyrostowych w terenie, przechowywania i transportu do laboratorium, do digitalizacji ich słojów drzew w celu dalszych analiz dla kolejnych analiz dendroekologicznych. Procedura polega na zastosowaniu nowych nośników próbek dla rdzeni inkrementacyjnych. Te nowe uchwyty Gärtner Schneider Core (GSC) zostały zaprojektowane przy użyciu oprogramowania do modelowania trójwymiarowego (3D), a następnie wydrukowane na drukarce 3D. Korzystając z tych mocowań od samego początku w terenie, rdzenie mogą być cięte bezpośrednio za pomocą mikrotomu rdzeniowego, a ich powierzchnia może być następnie digitalizowana bez dalszego przegrupowywania za pomocą nowego systemu przechwytywania obrazu o wysokiej rozdzielczości. Dzięki temu są one dostępne do bezpośredniej analizy. System ten umożliwia digitalizację słojów drzew z rdzeni i dysków, a także wykonywanie zdjęć z długich mikro przekrojów (do 40 cm) przy użyciu światła przechodzącego. Cecha ta jest szczególnie interesująca dla zastosowań dendroekologicznych i geomorficznych w celu identyfikacji początku jakichkolwiek zakłóceń w mikrosekcjach przeciętych mikrotomem rdzeniowym.

Introduction

Zasada datowania słojów drzew za pomocą techniki datowania krzyżowego została po raz pierwszy wprowadzona przez austriackiego leśnika Arthura Freiherra von Seckendorffa-Gudenta w 1881 roku¹. W pierwszej połowie XX wieku technika ta została ponownie wynaleziona przez "ojca dendrochronologii" Andrew Ellicotta Douglassa, który intensywnie stosował ją w datowaniu stanowisk archeologicznych i żywych drzew².

Obecnie dendroekologia, temat badawczy pełniący rolę swego rodzaju ramy środowiskowej dendrochronologii, definiowana jest jako badanie słojów drzew i ich nieodłącznych zmian wzrostu spowodowanych ekologicznymi i środowiskowymi zmianami w czasie³. W badaniach dendroekologicznych wiele innych cech niż zmiany szerokości pierścienia, takich jak stabilne izotopy, późna gęstość drewna lub charakterystyka komórek w pojedynczych słojach, jest wykorzystywanych do korelacji tych danych z parametrami środowiskowymi, aby lepiej zrozumieć wpływ warunków środowiskowych na wzrost drzew w czasie⁴. Dzięki ciągłej integracji badań anatomicznych drewna z badaniami dendroekologicznymi, badania nad dendroekologią rozwinęły się w ciągu ostatniej dekady i bardziej niż kiedykolwiek stanowią podstawę w rekonstrukcji dawnych warunków klimatycznych^5,6,7,8.

Chociaż postęp techniczny w zakresie przygotowania i analizy próbek, zwłaszcza w dziedzinie anatomii drewna, był silny w ciągu ostatniej dekady^{9,10,11,12,13,14}, nie było prawie żadnego postępu w kwestii uproszczenia technik próbkowania¹⁵. Pomimo, że np. technologia fal akustycznych¹⁶, do dnia dzisiejszego nie ma niezawodnej "nieniszczącej" metody wydobywania cech słojów z drzew.

W związku z tym, wszystkie badania związane z słojami drzew nadal opierają się na próbkach drewna pobranych z drzew lub krzewów w interesujących miejscach. W przypadku skupiania się na drzewach, standardową procedurą jest pobieranie przyrostowych rdzeni z pni¹⁵.

Pobieranie rdzeni za pomocą rdzeni przyrostowych jest często wyrażane jako technika "nieniszcząca"¹⁷. W porównaniu z pobieraniem dysków z łodyg jest to poprawne; Niemniej jednak ta technika próbkowania powoduje powstanie otworu w trzpieniu o średnicy około 1 cm, w większości sięgającego poza rdzeń trzpienia³. Drzewo jest w stanie samodzielnie zamknąć tę ranę, ale proces ten powoduje reakcje wzrostu, zmianę wspólnej struktury w bliskim sąsiedztwie rany, a także mniej lub bardziej intensywne przebarwienia istniejącego drewna wokół dołka z powodu chorób grzybiczych^18,19. Dlatego lepiej nazywać go "minimalnie inwazyjnym" niż "nieniszczącym".

Technika pobierania rdzeni przyrostowych rozwinęła się ostatnio dzięki możliwości korzystania z mechanicznych wierteł, co skutkuje wyższą jakością próbek, szczególnie do analiz anatomicznych drewna¹⁵. Ta procedura pozwala również zaoszczędzić dużo czasu w terenie w porównaniu z ręcznym wierceniem. To, co pozostało niezmienne, to procedura obchodzenia się z rdzeniami, począwszy od ekstrakcji z drzewa, po etykietowanie, przechowywanie do transportu i przygotowanie ich w laboratorium do różnych możliwych technik analizy.

Rdzenie nadal muszą być pakowane w stabilne pojemniki, takie jak słomki wykonane z tworzywa sztucznego lub papieru, aby zapobiec ich uszkodzeniu podczas transportu. Etykietowanie rdzeni odbywa się bezpośrednio na rdzeniu za pomocą miękkich ołówków lub (częściej) na zewnątrz każdej słomki. W przypadku korzystania z plastikowych pojemników rdzenie należy wyjąć po krótkim czasie, aby uniknąć rozprzestrzeniania się grzybów. Tak więc rdzenie należy ponownie wyjąć z pojemników. Aby ustabilizować rdzenie i zapobiec ich wyginaniu się, gdy zaczną schnąć, rdzenie należy zamocować na uchwycie. Pomaga to również w późniejszym przygotowaniu powierzchni do dalszych analiz. W tym celu należy również przenieść etykiety do odpowiednich mocowań. Standardową procedurą jest przyklejenie rdzeni do drewnianych mocowań lub przymocowanie ich taśmą w progach tektury falistej. Klejenie ich na drewnianych uchwytach jest najczęściej stosowaną techniką. Chociaż ta procedura jest idealna do stabilizacji i szlifowania lub cięcia rdzeni, ma kilka wad dotyczących potencjalnych analiz chemicznych, izotopowych, a nawet anatomicznych drewna. Kolejną wadą, pomimo wymaganego czasu, jest podatne na błędy przenoszenie etykiet dla każdego rdzenia na nowe mocowania.

W dendrochronologii, pomiary szerokości pierścienia jako podstawa do dokładnego datowania są podstawą wszystkich badań dendroekologicznych²⁰. Chociaż wiele laboratoriów nadal polega na ręcznych pomiarach przy użyciu tabel pomiarowych, np. Lintab²¹ z dołączonymi lornetkami, istnieje tendencja do używania skanerów płaskich do digitalizacji powierzchni rdzenia i mierzenia szerokości pierścienia za pomocą oprogramowania takiego jak CooRecorder²² lub WinDENDRO²³. Niestety, skanery te, np. powszechnie stosowany Epson Expression 10000XL nie mają wystarczającej rozdzielczości, aby wyraźnie przedstawić struktury jako tracheidy z drewna wczesnego lub późnego (Rysunek 1). Z tego powodu uzyskane obrazy nie nadają się do rozpoznawania trudnych struktur, takich jak bardzo wąskie pierścienie lub fluktuacje gęstości, które mają kluczowe znaczenie dla dokładnej procedury datowania krzyżowego bez powrotu do oryginalnych rdzeni za pomocą lornetki^24,25.

Ponieważ wysoka rozdzielczość obrazu jest niezbędnym warunkiem wstępnym dla odpowiednich analiz obrazów w nauce o słojach drzew¹⁰, w WSL (Skippy; https://www.wsl.ch/en/services-produkte/skippy/) opracowano nowy system przechwytywania obrazów, który umożliwia digitalizację słojów drzew na powierzchniach rdzenia za pomocą kamery cyfrowej, co skutkuje obrazami prezentującymi wyższą rozdzielczość niż wszystkie istniejące skanery płaskie. System ten został oparty na idei ATRICS-system^{26, opracowanej} w 2007 roku. Ostatnio prosty, ale wydajny system przechwytywania obrazu porównywalny do Skippy został zaprezentowany jako zestaw do samodzielnego montażu²⁷.

Digitalizacja słojów drzew, tj. przechwytywanie obrazów odbitego światła, jest ważnym krokiem w tworzeniu obrazów o wysokiej rozdzielczości rdzeni inkrementacyjnych lub dysków, aby wspierać efektywny czasowo, cyfrowy pomiar szerokości pierścienia. Opracowany w WSL system pozwala również na wykonywanie zdjęć z długich mikroprzekrojów (do 40 cm) przy użyciu światła przechodzącego. Ta dodatkowa funkcja jest na przykład interesująca dla zastosowań dendrogeomorficznych w celu identyfikacji początku reakcji drewna w mikrosekcjach.

W badaniu prezentujemy protokół ułatwiający proces obchodzenia się z rdzeniami w terenie i laboratorium. Podstawą prezentowanej nowej techniki jest uchwyt wielokrotnego użytku; nowy uchwyt GSC GärtnerSchneiderCore (GSC) zaprojektowany przy użyciu oprogramowania do modelowania 3D i wydrukowany na drukarce 3D. Uchwyt GSC pozwala na łatwe przenoszenie tulei pobranych w terenie bez konieczności ich przepakowywania lub ponownego etykietowania. Prezentujemy również nowy, wydajny system do digitalizacji przygotowanych powierzchni rdzeni. Protokół ten obejmuje całą procedurę, od pobrania rdzeni w terenie po przygotowanie próbki, digitalizację powierzchni rdzenia do późniejszych analiz i ostatecznie przechowywanie ich w archiwum.

Protocol

1. Tworzenie posiadacza GSC

1. Otwórz model 3D uchwytu w programie slicer, który jest zgodny z drukarką 3D. Utwórz plik do druku, który może być odczytany przez drukarkę 3D (w tym przypadku plik "*.gcode").
   UWAGA: Model 3D można zaprojektować za pomocą dowolnego oprogramowania do modelowania 3D.
2. Przenieś plik do druku do drukarki 3D za pomocą karty pamięci lub pamięci USB i aktywuj plik do druku na drukarce 3D.
3. Jak tylko uchwyt zostanie wydrukowany, poczekaj, aż uchwyt ostygnie do temperatury pokojowej (RT). Następnie wyjmij z drukarki płytkę, do której przykleja się uchwyt i lekko ją zegnij, aż forma oddzieli się od powierzchni.
4. Usuń wszystkie nadmiarowe gwinty lub nasadki z uchwytu.
   UWAGA: Liczba uchwytów, które mają być drukowane jednocześnie, zależy od rozmiaru drukarki. Na drukarce 3D o wymiarze płyty 36 cm x 36 cm można wydrukować około 30 uchwytów o długości 35 cm w jednym przebiegu. Czas potrzebny na wydrukowanie 30 uchwytów zależy od urządzenia. Średnio powinno to być zrobione w około 8 godzin (drukowanie w nocy).

2. Wydobycie, stabilizacja i transport rdzeni przyrostowych w terenie

1. Weź wiertarko-wkrętarkę akumulatorową wyposażoną w wzmacniacz momentu obrotowego i rdzeń przyrostowy, wybierz pozycję rdzenia i umieść rdzeń prostopadle do osi wzrostu trzpienia.
   UWAGA: To samo można zrobić ręcznie za pomocą rdzenia przyrostowego bez wiertarki akumulatorowej.
2. Rozpocznij drążenie, aż rdzeń osiągnie co najmniej połowę średnicy łodygi. Sprawdź głębokość, jak wyjaśniono powyżej, trzymając ekstraktor (który ma taką samą długość jak rdzeń) obok rdzenia.
3. W przypadku korzystania z wiertarko-wkrętarki akumulatorowej należy zdjąć wiertarkę, umieścić uchwyt na rdzeniu (co ma już miejsce w przypadku ręcznego korzystania z wiertarki z przyrostem), wziąć ekstraktor otwartą stroną skierowaną do góry i włożyć go całkowicie do rdzenia.
4. Obróć rdzeń przyrostowy do tyłu (jeden pełny obrót), aby oderwać rdzeń od trzpienia. Wyjmij ekstraktor wraz z rdzeniem.
5. Wyjmij rdzeń z ekstraktora. Sprawdź kierunek włókien rdzenia, aby zapewnić pionową orientację włókien podczas umieszczania rdzenia w uchwycie.
   UWAGA: Kierunek włókna można sprawdzić na obu końcach rdzenia, a także z boku rdzenia. W tym celu przytrzymaj rdzeń pod światło i obracaj go, aż zobaczysz świecącą stronę. Dzieje się tak, ponieważ po tej stronie promieniste ściany komórkowe są przecięte wzdłużnie i odbijają światło inaczej niż reszta rdzenia.
6. Umieść rdzeń na górze uchwytu w kierunku włókna do góry. Dociśnij górną część rdzenia wszystkimi palcami, aż rdzeń wsunie się do uchwytu.
7. Oznacz rdzeń z boku uchwytu za pomocą miękkiego ołówka, umożliwiając pisanie nawet na szkle.
   UWAGA: Napis można później usunąć za pomocą zwykłej gumy.
8. Umieść uchwyt z rdzeniem w pudełku transportowym i zamknij pokrywę.

3. Przygotowanie zamontowanych rdzeni w laboratorium

1. OPCJONALNIE: Osadzenie zamontowanych rdzeni w parafinie w celu ewentualnego mikroprzekroju.
   1. Umieść stalowe pudełko z pokrywką wyposażoną w zawór do podłączenia pompy próżniowej na płycie grzejnej, napełnij je parafiną do około 2 cm i poczekaj, aż całkowicie się rozpuści.
   2. Wyjmij zamontowane rdzenie ze skrzynki transportowej. Umieść uchwyty z rdzeniami tak, jak są w ciekłej parafinie i zamknij pokrywkę.
   3. Uruchom pompę próżniową, zastosuj stałe, lekkie podciśnienie do pojemnika i odczekaj około 2 godzin. Ze względu na otwartą strukturę uchwytu, parafina może przenikać do rdzeni bez dodatkowych barier.
   4. Zatrzymaj pompę próżniową i otwórz pokrywę. Wyjmij uchwyty z rdzeniami, umieść je na siatce i pozwól im ostygnąć.
   5. W razie potrzeby usuń nadmiar parafiny z boków uchwytu.
2. Przygotowanie powierzchni rdzenia
   1. Zamontowane rdzenie należy wyjąć ze skrzyni transportowej lub kąpieli parafinowej. Umieścić uchwyt z rdzeniem tak, jak znajduje się w uchwycie na próbkę mikrotomu rdzeniowego. Upewnij się, że rdzeń jest ustawiony w taki sposób, aby późne drewno pierścieni było skierowane w stronę ostrza.
   2. Dokręć uchwytu próbki, aż uchwyt rdzenia będzie całkowicie bezpieczny.
   3. Podnieś uchwyt próbki, aż rdzeń lekko dotknie ostrza. Przeciągnij ostrze przez cały zakres rdzenia, aby odciąć pierwszą część góry.
   4. Wepchnij nóż za rdzeń, podnieś uchwyt próbki o kilka mikronów i powtarzaj procedurę, aż do uzyskania płaskiej powierzchni o szerokości co najmniej 2-3 mm.
   5. Jak tylko powierzchnia zostanie przycięta zgodnie z przeznaczeniem, wyjmij uchwyt rdzenia z uchwytu na próbkę mikrotomu.
      UWAGA: Zaleca się cięcie rdzeni za pomocą mikrotomu rdzeniowego i nie szlifowanie ich, ponieważ powierzchnia jest czystsza i prosta, a komórki nie są wypełnione kurzem.

4. Digitalizacja powierzchni rdzenia

1. Umieść uchwyt rdzenia z gładką powierzchnią rdzenia na stole systemu do przechwytywania obrazu, tak jak pokazano tutaj system WSL-Skippy.
2. Upewnij się, że uchwyt rdzenia jest wyrównany z kierunkiem ruchu stołu lub kamery.
3. Ustaw stół z uchwytem rdzenia pod kamerą tak, aby najbardziej zewnętrzny pierścień znajdował się na środku view poniżej obiektywu kamery.
4. Umieść skalę obok początku rdzenia i zrób zdjęcie w celu kalibracji.
   UWAGA: Należy to zrobić tylko raz, gdy wykonujesz obrazy wielu rdzeni po kolei.
5. Zdefiniuj długość rdzenia w oprogramowaniu i rozpocznij proces przechwytywania obrazu. Po wykonaniu ostatniego zdjęcia stół wraca do pozycji wyjściowej.
6. Wyjmij próbkę ze stołu, umieść następny uchwyt pod kamerą i powtórz procedurę opisaną wcześniej, określając długość rdzenia, aż wszystkie rdzenie zostaną sfotografowane.
7. Użyj (pozbawionego zniekształceń) oprogramowania do zszywania, np. PTGui, aby połączyć pojedyncze obrazy w jeden ostateczny obraz powierzchni rdzenia.

5. Przechowywanie rdzeni

1. Weź analizowane rdzenie do uchwytu i umieść je w przenośnym stojaku do przechowywania wydrukowanym za pomocą drukarki 3D.
2. Oznacz stojak, aby zidentyfikować rdzenie z zewnątrz.
3. Przechowuj stojak na półce lub innym dostępnym archiwum.

Results

posiadacz GSC
Uchwyty rdzeni są (domyślnie) drukowane na długość 35 cm, co odpowiada prawie maksymalnemu rozmiarowi wydruku użytej drukarki 3D (Original Prusa XL, objętość robocza 36 cm × 36 cm × 36 cm). W przypadku dłuższych rdzeni, uchwyt można rozszerzyć o dodatkowe uchwyty, łącząc je małymi elementami łączącymi przez wgłębienia, które znajdują się na obu końcach wszystkich uchwytów (Rysunek 2A).

Podczas pracy w terenie, czas potrzebny na przechowywanie rdzeni bezpośrednio w uchwycie jest porównywalny do zwykłego włożenia ich do słomki lub innego materiału do pakowania. Chociaż istnieje potrzeba uszanowania kierunku włókna każdego rdzenia przed wciśnięciem rdzenia w uchwyt ( Rysunek 2), ten dodatkowy czas wynosi tylko kilka sekund i może być obsługiwany za pomocą soczewki. Z naszego doświadczenia wynika, że potrzebny dodatkowy czas (jeśli występuje) wynosi około 1 minuty na 10 rdzeni. Ten minimalny dodatkowy czas odnosi się również do uszkodzonych rdzeni. Zamiast wkładać połamane rdzenie kawałek po kawałku do słomki, kawałki te są po prostu umieszczane w uchwycie jeden po drugim i wciskane.

Aby zagwarantować bezpieczny transport rdzeni w terenie i do laboratorium, zaprojektowaliśmy i wydrukowaliśmy specjalne pudełko transportowe dla posiadaczy, w tym rdzenie (Rysunek 3). Uchwyty można po prostu umieścić w pudełku, gdzie są stabilizowane przez małe wybrzuszenia, które dokładnie pasują do wgłębień na obu końcach uchwytów. Pudełko można następnie zamknąć za pomocą pokrywy, która jest wciskana w boczne rowki pudełka.

Prawdziwa zaleta nowego uchwytu staje się oczywista w laboratorium. Zamiast wyjmować gilzy ze słomki (lub innych pojemników), przygotowywać drewniane mocowania ze wskazówkami, mocować gilzy na uchwycie, przenosić etykietę na nowy uchwyt i czekać co najmniej kilka godzin, aż klej wyschnie i ustabilizuje się do dalszej obróbki, rdzenie w uchwycie można bezpośrednio (i) zamocować w mikrotomie rdzeniowym w celu wycięcia gładkiej powierzchni lub (ii) można je przeszlifować bezpośrednio za pomocą szlifowania maszyna bez konieczności dalszego procesu przygotowawczego. Eliminacja konieczności przenoszenia etykiet na nowe mocowania w szczególności pozwala uniknąć ewentualnych błędów transmisji.

Ponieważ uchwyty mogą być zaprojektowane dla dowolnej średnicy rdzenia, nie ma znaczenia, czy są potrzebne do "standardowych" gilz 5 mm czy do rdzeni 10 mm lub 12 mm, jak są one pobierane, np. do analiz izotopowych lub innych analiz chemicznych.

Związane z analizami izotopowymi lub chemicznymi, zaletą uchwytu jest to, że rdzenie są mocowane bez potrzeby użycia kleju lub medium utrwalającego. Dzięki temu rdzenie nie są zanieczyszczone i można je łatwo wyjąć z uchwytu w celu przeprowadzenia bardziej szczegółowych analiz. Ponadto, jeśli chodzi o analizy anatomiczne drewna, możliwość łatwego wyjęcia rdzeni z uchwytu umożliwia prostą obsługę rdzeni w celu przygotowania mikrosekcji.

Opcjonalna możliwość osadzenia rdzeni zamocowanych w uchwycie pozwala na stabilizację wrażliwych struktur, ponieważ komórki o cienkich ściankach komórkowych mają tendencję do pękania podczas cięcia. Stabilizacja rdzenia poprzez zatopienie go w parafinie jest w wielu przypadkach bardziej wydajna niż zwykłe dodanie roztworu skrobi kukurydzianej.

Kolejna zaleta pojawia się również, gdy rdzenie muszą być przechowywane do późniejszych inspekcji lub ponownych analiz. Uchwyty można umieścić w specjalnie zaprojektowanych stojakach (Rysunek 4), a także wydrukować za pomocą drukarki 3D porównywalnej do przechowywania w pudełku transportowym. Uchwyty GSC wraz z rdzeniami są umieszczane w szafie w takiej postaci, w jakiej są, a następnie mogą być przechowywane w dowolnym miejscu. Szerokość regałów, czyli to, ile rdzeni można zamocować w jednym stojaku, zależy od przestrzeni dostępnej na półce lub w pomieszczeniu magazynowym. Modele stojaków można dostosować do konkretnych potrzeb i odpowiednio zadrukować.

Digitalizacja powierzchni rdzenia lub dysku
System przechwytywania obrazu, opracowany w WSL (Rysunek 5), umożliwia digitalizację słojów drzew (automatyczne przechwytywanie obrazu) w celu tworzenia obrazów o wysokiej rozdzielczości rdzeni lub dysków przyrostowych, co wspiera efektywny czasowo, cyfrowy pomiar szerokości pierścienia. System składa się z płytki zamocowanej na prętu gwintowanym, która przesuwa próbkę poniżej obiektywu (Sony FE 90 mm f/2.8 Macro) aparatu 61 MP (Sony Alpha 7R IV) w określonych krokach od 0,1 do 1 cm. Zdjęcia są wykonywane przy użyciu systemu autofokusa aparatu, aby zagwarantować ostrość pojedynczych obrazów. Rozdzielczość kamery pozwala na uzyskanie rzeczywistej rozdzielczości każdego obrazu w rozdzielczości 6500 dpi testowanej przy użyciu tarczy o rozdzielczości SilverFast (USAF 1951). Może się to wydawać nieco niską rozdzielczością skanera płaskiego o określonej rozdzielczości 4800 dpi. Jednak podczas testowania obrazów tego samego celu wykonanych skanerem Epson XL przy użyciu rozdzielczości 4800 dpi, uzyskane obrazy wykazały rzeczywistą rozdzielczość tylko 1825 dpi (Rysunek 6). Wysoka rozdzielczość obrazów pozwala na wyraźny widok pojedynczych komórek, a tym samym na jasne zdefiniowanie granic pierścieni uchwyconych na obrazach (Rysunek 7). Jeśli powierzchnia rdzeni lub użytych dysków jest dobrze przygotowana, nie ma potrzeby wracania do oryginalnej próbki w celu ponownego sprawdzenia struktury. Po złączeniu pojedynczych obrazów, wynikowe obrazy rdzenia mogą być analizowane za pomocą preferowanego oprogramowania do analizy.

System przechwytywania obrazów pozwala również na wykonywanie zdjęć z mikro przekrojów do 40 cm przy użyciu światła przechodzącego. Cecha ta jest interesująca np. dla zastosowań dendrogeomorficznych w celu identyfikacji początku reakcji drewna lub innych specyficznych cech w mikrosekcjach całych rdzeni drzew (Rysunek 8).

Rysunek 1: Skanuj obrazy młyna Larix decidua. Słoje drzew zeskanowane w różnych rozdzielczościach za pomocą skanera płaskiego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Schematyczny widok uchwytu GSC. (A) Otwór na obu końcach uchwytu umożliwia połączenie dwóch uchwytów za pomocą małego drążka do mocowania dłuższych rdzeni. Zielone strzałki wskazują kierunek nacisku, gdy uchwyt jest zamocowany w mikrotomie rdzeniowym. Po lewej: Białe strzałki wskazują otwory, które umożliwiają cyrkulację powietrza lub cieczy (do osadzenia). Po prawej: Uchwyt GSC z wciśniętym rdzeniem. (B) Kierunek włókna rdzenia musi być pionowy. (C) Biała linia wskazuje powierzchnię cięcia rdzenia. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Pudełko transportowe do przechowywania i transportu uchwytu GSC z rdzeniami w terenie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Ramki do przechowywania uchwytów GSC w celu ostatecznego przechowywania w archiwum. Ramki można układać jeden na drugim, aby zaoszczędzić miejsce. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: System przechwytywania obrazów opracowany w WSL. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Porównanie rozdzielczości obrazu między skanerem płaskim a systemem przechwytywania obrazu. (A) Cel rozdzielczości SilverFast (USAF 1951). (B) Obraz zeskanowany skanerem płaskim o określonej rozdzielczości 4800 dpi (interpolowany) i odpowiednie powiększenia sekcji poniżej. (C) Zdjęcie wykonane za pomocą systemu przechwytywania obrazu i odpowiednie rozszerzenia sekcji poniżej. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Złożony obraz rdzenia przyrostowego młyna Larix decidua (górny obraz) i odpowiednie rozszerzenia sekcji poniżej. Pojedyncze zdjęcia kompozytu zostały wykonane za pomocą systemu przechwytywania obrazu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 8: Złożony obraz mikro przekroju całego rdzenia przyrostowego (Larix decidua Mill.) i odpowiedniego powiększenia sekcji. Pojedyncze zdjęcia kompozytu zostały wykonane przez system przechwytywania obrazu (światło przechodzące). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Discussion

Włączenie anatomii drewna do badań dendroekologicznych otworzyło te badania na nowe i pogłębione analizy przeszłych warunków środowiskowych 28,29,30. Te nowe techniki zintensyfikowały również wysiłki analityczne, tj. czas laboratoryjny potrzebny do wygenerowania interesujących danych. Podjęto liczne próby optymalizacji pracy laboratoryjnej i skrócenia czasu potrzebnego w laboratorium w zakresie technik anatomicznych drewna 9,12,13,15,30. Nie podjęto jednak prawie żadnych wysiłków, aby ułatwić powszechną procedurę obsługi, przygotowania i przechowywania rdzeni pobranych do tych badań.

Druk 3D daje w tym zakresie nowe możliwości⁹. Nowy, wydrukowany w 3D uchwyt rdzenia jest pierwszą próbą uproszczenia całej procedury, dzięki czemu jest ona mniej czasochłonna, a tym samym bardziej wydajna.

Podczas gdy rdzenie przechowywane w plastikowych słomkach^{31, 32} lub porównywalnych pojemnikach muszą zostać wyjęte, aby zapobiec rozwojowi grzybów na zewnątrz (a wkrótce także wewnątrz) rdzenia, rdzenie zamocowane w uchwytach SGR mogą pozostać bez zmian. Do tego momentu jest to porównywalne do przechowywania ich w papierowych słomkach³³.

Zaleta staje się oczywista, gdy tylko cała procedura (i) wyjmowania rdzeni ze słomki (lub innego pojemnika), (ii) przyklejania ich do drewnianych uchwytów lub mocowania ich na innych przedmiotach jako podpór kablowych, oraz (iii) potencjalnie podatnego na błędy procesu przenoszenia odpowiedniego kodu używanego dla każdego rdzenia, ponieważ był on prawie standardem od dziesięcioleci³⁴. staje się niepotrzebny.

Otwarta struktura uchwytu GSC pozwala na przechowywanie rdzeni bez ryzyka zagrzybienia, jak miałoby to miejsce w przypadku przechowywania w plastikowym pojemniku. Jak opisano powyżej, uchwyt umożliwia również zatopienie w parafinie w celu ustabilizowania struktury. Niemniej jednak to "proste" zatapianie nie może być porównywane z powszechnymi procedurami zatapiania przy użyciu kaset do zatapiania próbki w bloku parafinowym, jak to ma miejsce w przypadku mikrordzeni³⁵. Prosta technika jest raczej porównywalna do stosowania skrobi kukurydzianej podczas cięcia mikrosekcji³⁶. Lepiej ustabilizuje komórki i zapobiegnie ich pękaniu podczas procedury cięcia, ale jest bardziej czasochłonne niż zwykłe dodanie skrobi kukurydzianej. Ta forma osadzania nie ustabilizuje całego rdzenia tak, jakby był osadzony w bloku. Jeśli rdzeń zostanie złamany, sekcje również się złamią. Ponieważ uchwyt GSC mieści się w mikrotomie rdzeniowym³⁷, przygotowanie powierzchni do późniejszego procesu digitalizacji zajmuje tylko kilka minut.

W procesie digitalizacji słojów drzew zastosowanie skanerów płaskich, często używanych do pomiarów intensywności barwy niebieskiej^38,39, nie było zadowalające w odniesieniu do bardziej szczegółowych widoków struktury słojów ze względu na raczej niską jakość uzyskanych obrazów. Chociaż granice wspólnych (szerokich) pierścieni drzew iglastych były widoczne na tych zdjęciach, wąskie pierścienie, a nawet wahania gęstości, były prawie niemożliwe do zidentyfikowania.

Chociaż istnieją fascynujące nowe próby digitalizacji słojów drzew w wysokiej rozdzielczości, takie jak rentgenowski CT⁴⁰, użycie kamer cyfrowych o wysokiej rozdzielczości jest nadal najbardziej wydajnym i opłacalnym sposobem tworzenia wysokiej jakości obrazów do dalszych pomiarów.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Mikrotom rdzeniowy	WSL	https://www.wsl.ch/en/services-produkte/microtomes/	Mikrotom do wycinania mikroprzekrojów z rdzeni inkrementacyjnych
Epson Expression 10000XL	Skaner płaski	EPSON	https://epson.com/Support/Scanners/Expression-Series/Epson-Expression-10000XL---Graphic-Arts/s/SPT_E10000XL-GA
Uchwyt GSC	WSL		Autorski uchwyt drukowany w 3D do mocowania rdzeni do transportu, przygotowania, analiz i przechowywania
System przechwytywania obrazu Skippy	WSL	https://www.wsl.ch/en/services-produkte/skippy/)	System przechwytywania obrazu opracowany w WSL wyposażony w aparat 61 MP (Sony Alpha 7R IV i obiektyw Sony FE 90mm f/2.8 Macro)