Name: Wyodrębnianie metryk dla trójwymiarowych systemów korzeniowych: analiza objętości i powierzchni z danych rentgenowskiej tomografii komputerowej w glebie (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-26T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 37 s
Description: Poznaj metodę ekstrakcji metryk korzeniowych z danych tomografii rentgenowskiej w glebie. Ta nieinwazyjna technika pozwala badać struktury korzeni roślin w ich naturalnym środowisku.

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

Ta praca została wykonana w Laboratorium Nauk Molekularnych Środowiska, krajowym ośrodku naukowym sponsorowanym przez Biuro Badań Biologicznych i Środowiskowych Departamentu Energii i zlokalizowanym w Pacific Northwest National Laboratory.

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).
<ol>
	<li>Umieść roślinę doniczkową na manipulatorze próbki instrumentu w odległości pożądanej dla docelowego powiększenia. W przypadku rośliny w uchwycie o średnicy 2 cali odległość próbki od źródła powinna wynosić około 3 cali (7 cm).</li>
	<li>Dostosuj ustawienia skanowania rentgenowskiego, aby uzyskać optymalny kontrast kolorów (poziom szarości) na obrazie detektora. Uwaga: Ustawienia te są dostępne w używanym oprogramowaniu sterującym przyrządem.
	<ol>
		<li>Ustaw ustawienia mocy promieniowania rentgenowskiego; w tym przykładzie użyto 85 kV i 190 μA.</li>
		<li>Ustaw czas ekspozycji. W tym przypadku zastosowano stosunkowo długi czas naświetlania wynoszący 1 sekundę, aby uzyskać lepszy stosunek sygnału do szumu.</li>
		<li>Ustaw liczbę projekcji i klatek na projekcję; 4 klatki na projekcję, co daje w sumie 3 142 projekcje, jest sugerowane dla dobrych statystyk danych.</li>
		<li>Uruchom korekcję zacienienia, korzystając z warunków pomiaru określonych powyżej, wybierając zakładkę "Korekcja zacienienia" i klikając "Utwórz". 
		Uwaga: Korekcja cieniowania kompensuje zmiany w reakcji pikseli urządzenia do przetwarzania obrazu, gdy jest ono oświetlone stałym zestawem strumienia promieniowania rentgenowskiego. Proces wykonuje puste obrazy (z próbką usuniętą ze ścieżki wiązki) przy włączonej wiązce promieniowania rentgenowskiego i przy wyłączonej wiązce. Ta korekcja jest stosowana do wszystkich zebranych obrazów.</li>
		<li>Wybierz opcję "Minimalizuj artefakty pierścieniowe" (nazywaną również "trybem wahadłowym"); próbka będzie obracana w krokach kątowych podczas pozyskiwania obrazów projekcyjnych. Prowadzi to do wolniejszego pozyskiwania danych, ale pomaga wyeliminować artefakty pierścieniowe.</li>
		<li>Rozpocznij skanowanie, klikając przycisk "Pobierz" w zakładce Akwizycja (przy ustawieniach opisanych powyżej, zbieranie obrazów zajmie około 4 godzin).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Rekonstrukcja danych 
Uwaga: W tej sekcji opisano rekonstrukcję danych objętościowych 3D z surowych obrazów (zdjęcia rentgenowskie z tomografii komputerowej).
<ol>
	<li>Załaduj nieprzetworzone dane do programu.</li>
	<li>Porównaj pierwszy i ostatni obraz (powinny być prawie identyczne, ponieważ ostatni obraz jest wykonywany po obróceniu próbki o 360stopni), aby upewnić się, że próbka się nie poruszyła lub ustawienia skanowania nie zmieniły się podczas pozyskiwania danych.</li>
	<li>Oblicz środek obrotu (COR), wybierając zakładkę "Środek obrotu" i klikając "Start"; użyj opcji "Automatyczne" znajdowanie COR z dokładnością "Wysokiej jakości" oraz "Podwójny" wybór plasterka (górny i dolny) do obliczenia COR.</li>
	<li>Wybierz objętość próbki do zrekonstruowania: wybierz zakładkę "Objętość" i edytuj okna wyboru objętości za pomocą miniatur.</li>
	<li>Wykonaj rekonstrukcję, aby utworzyć plik woluminu zawierający dane 3D, klikając "Start".</li>
</ol>
3. Przetwarzanie danych / Segmentacja
Uwaga: W tej sekcji opisano kroki, które należy podjąć, aby przygotować zrekonstruowane dane do dalszego przetwarzania w programie RooTrak w celu śledzenia korzeni, gdy rozgałęziają się w glebie, i odizolowania korzeni od otaczającego materiału w celu wytworzenia stosu obrazów binarnych samego korzenia.
<ol>
	<li>Przetwarzanie danych objętościowych w ImageJ w celu przygotowania stosu obrazów do przetwarzania RooTrak:
	<ol>
		<li>Załaduj plik woluminu do ImageJ.</li>
		<li>Zoptymalizuj kontrast obrazu między korzeniem a glebą, dostosowując ustawienia jasności i kontrastu (Kliknij Obraz/Dostosuj/Jasność/Kontrast). Gdy obszar zainteresowania na obrazie jest widoczny i wyraźnie odróżnialny, ustawienia są uważane za zoptymalizowane.</li>
		<li>Zapisz jako stos obrazów w formacie jpeg, bmp lub png.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przetwarzanie w RooTrak w celu segmentacji korzenia:
	<ol>
		<li>Załaduj stos obrazów do RooTrak (przejdź do zakładki "Narzędzia" i naciśnij "Tracker").</li>
		<li>Ustaw punkty początkowe wewnątrz katalogu głównego: kliknij kilka punktów wewnątrz każdej z odpowiednich sekcji głównych widocznych w górnym przekroju widoku danych woluminu.</li>
		<li>Ustaw parametry trackera "Gładkość" i "Podobieństwo" odpowiednio na 0,3 i 0,8.</li>
		<li>Uruchom funkcję śledzenia. Spowoduje to podążanie za korzeniem od górnego wycinka obrazu aż do dolnego wycinka.</li>
		<li>Po wyświetleniu danych objętościowych wybierz liczbę wycinków zgodnie z użyteczną objętością danych; w tym przypadku śledzenie zostało zatrzymane na 200 warstwach, co odpowiada głębokości 6,2 mm, gdzie granice korzeni stały się źle zdefiniowane (obraz śledzonego korzenia zaczął zlewać się z obrazem gleby). 
		Uwaga: Utworzony stos obrazów zostanie automatycznie zapisany w miejscu, w którym został utworzony katalog wyjściowy</li>.
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Analiza objętości i powierzchni
Uwaga: W tym kroku opisano generowanie siatki izopowierzchni ze stosu obrazów utworzonego przez RooTrak.
<ol>
	<li>Konwertuj stos obrazów z RooTrak na binarny format obrazu w ImageJ. Wybierz "Proces", następnie "Binarny", a następnie "Utwórz binarny".</li>
	<li>Użyj wtyczki ImageJ o otwartym kodzie źródłowym, BoneJ, aby utworzyć trójkątną siatkę; w ImageJ wybierz "Wtyczki", następnie "BoneJ", a następnie "Isosurface".</li>
	<li>Ustaw "Ponowne próbkowanie" i "Próg" odpowiednio na 6 i 120 (ustawienia domyślne). Zaznacz "Pokaż powierzchnię" i naciśnij przycisk "OK".</li>
	<li>W przeglądarce "3D" kliknij zakładkę Plik, następnie "Eksportuj powierzchnie", a następnie zapisz jako "STL (binarny)".</li>
	<li>Otwórz imeshJ, wybierz plik STL i wprowadź rozmiar woksela w mikronach. Kliknij "Oblicz pole powierzchni", aby uzyskać całkowitą powierzchnię korzenia próbki w mm2. Podobnie kliknij "Oblicz objętość", aby uzyskać całkowitą objętość pierwiastka próbki w mm3.</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>

Nie mamy nic do ujawnienia.

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...

Korzenie, jako część ryzosfery2-5, 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 danych/próbek, należy wyodrębnić informacje ilościowe z danych tomografii. Segmentacja danych korzeniowych od danych dotyczących otaczającej gleby, czyli odizolowanie obrazu korzenia od wszystkiego innego wokół niego (w tym, na przykład, sąsiedniej rośliny) jest krytycznym krokiem przed przeprowadzeniem dokładnej analizy rozmiaru. Jednak proste podejście do progowania jest często niewykonalne w przypadku danych głównych. Wyzwania związane z obrazowaniem korzeni roślin w glebie obejmują zmiany właściwości tłumienia promieniowania rentgenowskiego materiału korzeniowego oraz nakładanie się wartości tłumienia między korzeniem a glebą spowodowane przez wodę i materię organiczną. Kwestie te zostały ostatnio znakomicie poruszone przez Mairhofera i wsp. w swoim narzędziu do śledzenia wizualnego RooTrak 7, 9. Kolejnym krokiem po udanej segmentacji jest dokładne określenie objętości i powierzchni korzeni. Objętość można oszacować, licząc liczbę wokseli i mnożąc przez rozmiar wokseli w przekroju sześciennym, jak pokazano powyżej7. W celu dokładniejszego określenia powierzchni i objętości korzenia, izopowierzchnię segmentowanego systemu korzeniowego można przedstawić za pomocą siatki trójkątów, przy użyciu algorytmu znanego jako Kostki Marszowe 10. ImageJ11 o otwartym kodzie źródłowym może być wykorzystany do przybliżenia objętości głównej w oparciu o algorytm Marching Cubes. Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, obecnie dostępna jest tylko ograniczona liczba oprogramowania typu open source dedykowanego do obliczania danych objętościowych/powierzchniowych na podstawie tomografii dla próbek korzeniowych w zakresie centymetrów i większym. Jedno z programów typu open source, którym się przyjrzeliśmy, koncentruje się na wzroście korzeni i jest ukierunkowane na funkcje komórkowe umożliwiające ilościową analizę objętości w rozdzielczości pojedynczej komórki. Niektóre programy typu open source dedykowane całym systemom korzeniowym14 są doskonałe dla rurkowatych systemów korzeniowych o małej średnicy, opierając się na przybliżeniu, że ich kształt jest w rzeczywistości rurkowaty. Jednak niektóre działają z obrazami 2D i nie są w stanie obsłużyć stosów 3D14. Ponadto przybliżenie kształtu rurowego może nie być ważne, gdy badane są systemy korzeniowe o szorstkich powierzchniach i niejednorodnych kształtach, takie jak systemy drzew. Inne podejście,15 wykorzystuje dwuwymiarowe (2D) obrotowe sekwencje obrazów, w innowacyjny sposób omijając potrzebę stosowania kosztownego tomografu komputerowego. Mierzy, rejestruje i wyświetla długości systemu korzeniowego. Oprogramowanie, które przetestowaliśmy, spośród tych dostępnych tylko na rynku16-18; jeden wydaje się nie być w stanie poradzić sobie ze stosami obrazów 3D16, drugi to narzędzie do pomiaru powierzchni liści i długości korzeni17, podczas gdy trzeci jest oparty na analizie kolorów18. Na podstawie tego badania sugerujemy, że pożądana jest bezkosztowa opcja, która przybliża powierzchnię i objętość korzenia niezależnie od jego kształtu na podstawie danych z tomografii 3D.
Opierając się na swobodnie dostępnych RooTrak i ImageJ, opracowaliśmy program o nazwie imeshJ (zobacz plik kodu uzupełniającego), który przetwarza siatkę izopowierzchniową (plik stereolitografii powierzchni) wygenerowaną z segmentowanych danych głównych i oblicza objętość i powierzchnię pierwiastka, wykonując proste obliczenia geometryczne na danych indeksu trójkąta siatki. W tym miejscu przedstawiamy metodę, która łączy w sobie wykorzystanie obrazowania XCT, rekonstrukcję i wizualizację danych (oprogramowanie CT Pro 3D i VG Studio), segmentację korzenia próbki z gleby w danych 3D (oprogramowanie open-source ImageJ i RooTrak) oraz ekstrakcję informacji o powierzchni i objętości z siatki trójkątnej (ImageJ i kod komputerowy imeshJ).

<table><tbody><tr><td>X-Tek/Metris XTH 320/225 kV&nbsp;</td><td>Skaner tomografii rentgenowskiej</td> <td>firmy Nikon Metrology</td><td></td></tr><tr><td>Inspect X</td><td>Nikon Metrology</td><td>Oprogramowanie sterujące przyrządami</td><td></td></tr><tr><td>CT Pro 3D</td> Oprogramowanie do rekonstrukcji <td>metrologii</td><td></td> firmy Nikon<td>, wersja XT 2.2</td></tr><tr><td>VG Studio MAX</td><td>Visual Graphics GmbH</td><td></td><td>Oprogramowanie do wizualizacji objętości 3D, wersja 2.1.5</td></tr><tr><td>ImageJ</td><td>Open-source</td><td></td><td>Oprogramowanie do przetwarzania i analizy obrazu, wersja 1.6</td></tr><tr><td>RooTrak</td><td>Open-source</td><td></td><td>Oprogramowanie do segmentacji rootów, wersja 0.3.1-b1 beta</td></tr><tr><td>imeshJ</td><td>EMSL</td><td></td><td>MATLAB skrypt opracowany przez autorów</td></tr><tr><td>Próbka</td><td></td><td></td> trawy preriowej pobrana <td>z gruntu w obszarze mieszkalnym</td></tr></tbody></table>

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

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

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.

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...

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

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

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

Ogólnym celem tej procedury jest wyodrębnienie ilościowych informacji o korzeniach roślin z danych tomografii komputerowej rentgenowskiej wykonanej w glebie. Ta metoda badania struktury korzeni żywych roślin może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania z dziedziny biologii, takie jak sposób, w jaki rośliny reagują na zmieniające się warunki środowiskowe, np. suszę, aktywność mikroorganizmów i tak dalej. Główną zaletą tej techniki jest to, że jest ona nieinwazyjna, co pozwala na badanie roślin w ich naturalnym środowisku, czyli w glebie.Wizualna demonstracja tej metody jest cenna, ponieważ procedura obejmuje liczne etapy, w tym obrazowanie tomograficzne, rekonstrukcję danych oraz analizę, które bez pomocy wizualnej mogą być niezrozumiałe. Na początek należy umieścić roślinę w doniczce na manipulatorze próbek skanera tomografii rentgenowskiej w odległości odpowiadającej pożądanemu powiększeniu celu. W przypadku rośliny w uchwycie o średnicy dwóch cali, należy ustawić odległość próbki od źródła na około trzy cale.W oprogramowaniu sterującym urządzeniem ustaw parametry mocy promieni rentgenowskich na 85 kilowoltów i 190 mikroamperów. Następnie ustaw czas ekspozycji na jedną sekundę, aby uzyskać lepszy stosunek sygnału do szumu. Ustaw liczbę projekcji na 3 142 oraz liczbę klatek na projekcję na cztery, aby zapewnić dobrą statystykę danych.Używając właśnie ustawionych parametrów skanowania, wybierz kartę „Shading Correction”. Następnie kliknij „New” i nazwij plik korekcji cieniowania. Następnie kliknij „Present”, aby zatwierdzić nowe warunki.Następnie kliknij „Create”, a potem „OK”, aby użyć dwóch obrazów referencyjnych. Następnie kliknij „Generate”. Gdy pojawi się okno ostrzegawcze, przed kliknięciem „OK” fizycznie usuń próbkę z drogi wiązki. Teraz zostanie uruchomiona korekcja cieniowania.Następnie kliknij kartę „Acquisition”. Nazwij plik danych, a następnie wybierz „None” dla filtra rentgenowskiego. Upewnij się, że pole wyboru „Minimise ring artefacts” jest zaznaczone, aby próbka była obracana w krokach kątowych podczas pozyskiwania obrazów projekcyjnych.Na koniec rozpocznij skanowanie, klikając przycisk „Acquire”. Po pozyskaniu surowych danych załaduj je do programu do rekonstrukcji. Porównaj pierwszy i ostatni obraz, klikając „Blink”, aby upewnić się, że próbka nie przesunęła się, a ustawienia skanowania nie uległy zmianie podczas akwizycji danych.Oblicz środek rotacji (COR), wybierając kartę „Center of rotation” i korzystając z opcji „Automatic COR finding” z ustawieniem dokładności „High Quality” oraz „Dual slice selection” dla obliczeń COR. Następnie kliknij „Start”, aby uruchomić obliczenia. Po wyznaczeniu COR kliknij kartę „Volume”, aby wybrać próbkę do rekonstrukcji.Użyj miniatur, aby dostosować okna wyboru objętości. Następnie kliknij „Start”, aby przeprowadzić rekonstrukcję i utworzyć plik objętości zawierający dane 3D. Aby przygotować stos obrazów możliwy do przetworzenia przez RooTrak, załaduj plik objętości do programu ImageJ, klikając File, Import, Raw, a następnie wybierając plik objętości.Aby zoptymalizować kontrast obrazu między korzeniem a glebą, kliknij kartę „Image”, następnie wybierz „Adjust Brightness/Contrast” i zaznacz opcję Auto. Ustawienia uznaje się za zoptymalizowane, gdy obszar zainteresowania jest wyraźnie widoczny. Zapisz obrazy jako stos obrazów w formacie JPEG, BMP lub PNG, klikając „Save As” i wybierając „Image Sequence”.Aby przetworzyć dane w programie RooTrak w celu segmentacji korzenia, wybierz kartę „Tools” i wybierz opcję Tracker. Następnie dwukrotnie kliknij biały obszar wprowadzania w oknie dialogowym, aby załadować stos obrazów. Po załadowaniu obrazów przejdź do karty „Tracker” i wyznacz punkty startowe wewnątrz korzenia, klikając w kilku punktach w każdej z odpowiednich sekcji korzenia widocznych w przekroju górnym danych wolumetrycznych.Ustaw parametr wygładzania (smoothness) trackera na 0,3 oraz podobieństwo (similarity) na 0,8. Kliknij pole poniżej „Output Directory”, aby wybrać folder z plikami. Następnie kliknij „Select Folder” i wybierz Start.Następnie zostanie uruchomiona funkcja śledzenia. Pozwoli ona na śledzenie korzenia od górnego przekroju obrazu aż do przekroju dolnego. Po otwarciu i przeanalizowaniu danych wolumetrycznych należy wybrać liczbę przekrojów zgodnie z dostępną objętością danych.W przedstawionym przykładzie śledzenie przerwano po 200 przekrojach, co odpowiada głębokości 6,2 milimetrów, przy której granice korzenia stały się nieostre. Aby przeprowadzić analizę objętości i powierzchni w programie ImageJ, należy przekonwertować stos obrazów z programu RooTrak na format obrazu binarnego, wybierając Process, Binary, a następnie Make Binary. W celu utworzenia siatki trójkątnej należy użyć otwartoźródłowej wtyczki BoneJ do programu ImageJ, wybierając Plugins, BoneJ, a następnie Isosurface.W otwierającym się oknie opcji ustaw wartości „Resampling” oraz „Threshold” odpowiednio na 6 i 120. Następnie zaznacz opcję „Show surface” i kliknij przycisk „OK”. W otwartym oknie podglądu 3D kliknij kartę „File”.Następnie kliknij „Export surfaces” i zapisz plik jako binary STL. Na koniec otwórz program IMESHJ. Wczytaj plik STL, klikając „Select STL File” i wprowadź rozmiar woksela w mikronach.Kliknij „Enter Voxel Size”, wprowadź wartość 31 micronów, a następnie dwukrotnie kliknij „OK”. Kliknij „Calculate Surface Area”, aby wyznaczyć całkowitą powierzchnię korzenia próbki w milimetrach kwadratowych. Następnie kliknij „Calculate Volume”, aby uzyskać całkowitą objętość korzenia próbki w milimetrach sześciennych.Przedstawiono próbkę składającą się z dwóch pędów rodzimej trawy prairie dropseed, Sporobolus heterolepis, wraz z otaczającą ją oryginalną glebą. Wielkość woksela wygenerowanych danych zrekonstruowanych wynosiła około 31 mikrometrów sześciennych. Po utworzeniu stosu obrazów i zwiększeniu kontrastu między korzeniami a glebą, dane zrekonstruowane wykazały, że korzeń oraz niektóre składniki gleby mają bardzo podobne współczynniki tłumienia promieni rentgenowskich, co skutkuje niewielkim lub żadnym kontrastem w skali szarości na obrazach.Rysunek ten przedstawia reprezentatywny punkt startowy, który został wybrany w odpowiednim przekroju korzenia widocznym na górnym plastrze danych wolumetrycznych. Przy zastosowaniu parametrów RooTrak opisanych w tym filmie, program RooTrak pomyślnie wysegmentował wybrane około 200 plastrów danych wolumetrycznych, co odpowiadało głębokości 6,2 mm. Segmentacja korzenia została zaprezentowana również w tej animacji.W tym przypadku program ImageJ posłużył do wygenerowania izopowierzchni w postaci siatki trójkątów dla objętości 3D na podstawie danych uzyskanych z systemu RooTrak. Zastosowanie ustawień domyślnych pozwoliło na szybkie uzyskanie szczegółowej izopowierzchni. Na koniec, przy użyciu wtyczki IMESHJ, obliczono powierzchnię wynoszącą 351,87 mm², a obliczona objętość wyniosła 47,27 mm³.Po opanowaniu tej procedury, przy prawidłowym wykonaniu, można ją przeprowadzić w ciągu pięciu godzin. Podczas stosowania tej techniki należy pamiętać o przestrzeganiu wszystkich procedur bezpieczeństwa. Ważne jest również, aby pamiętać, że segmentacja korzeni jest możliwa tylko wtedy, gdy istnieje wystarczający kontrast rentgenowski między korzeniem a glebą.Zgodnie z tą procedurą można obrazować i analizować inne okazy o strukturach rozgałęzionych, takie jak liście drzew, płuca zwierząt i ludzi itp., aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, na przykład dotyczące wzrostu tkanek żywych lub ich tolerancji na określone warunki. Po opracowaniu ta technika otwiera przed badaczami z dziedziny nauk o roślinach możliwość eksploracji zagadnień takich jak odporność na suszę u roślin modelowych, m.in. Brachypodium. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze rozumieć, jak obrazować okaz rośliny za pomocą tomografii, jak wizualizować jego strukturę korzeniową oraz jak wyodrębniać ilościowe informacje o korzeniach z danych rentgenowskiej tomografii komputerowej in-soil.Należy pamiętać, że praca z aparaturą rentgenowską może być niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tej techniki należy przestrzegać odpowiednich procedur bezpieczeństwa.

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

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

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.

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

Ten protokół opisuje proces szybkiego zbierania obrazów sadzonek rzodkiewnika reagujących na bodziec grawitacyjny za pomocą dostępnych na rynku skanerów płaskich.  Metoda ta pozwala na niedrogie, wysokonakładowe przechwytywanie obrazów o wysokiej rozdzielczości, które można poddać dalszym algorytmom analizy.

Używanie skanerów płaskich do zbierania poklatkowych obrazów o wysokiej rozdzielczości odpowiedzi grawitropowej korzenia rzodkiewnika

To badanie przedstawia metodę wykopaliskową do badania podpowierzchniowej hydrologicznej, geochemicznej i mikrobiologicznej heterogeniczności lizymetru glebowego. Lizymetr symuluje sztuczne zbocze wzgórza, które początkowo było w jednorodnym stanie i zostało poddane działaniu około 5000 mm wody w ciągu ośmiu cykli nawadniania w okresie 18 miesięcy.

Wykopy lizymetryczne gleby do sprzężonych badań hydrologicznych, geochemicznych i mikrobiologicznych

Przedstawiono eksperymentalny protokół oceny systemów korzeniowych roślin uprawianych w glebie za pomocą RGB i obrazowania hiperspektralnego. Połączenie szeregów czasowych obrazu RGB z informacjami chemometrycznymi ze skanów hiperspektralnych optymalizuje wgląd w dynamikę korzeni roślin.

RGB i spektralne obrazowanie korzeni do fenotypowania roślin i badań fizjologicznych: konfiguracja eksperymentalna i protokoły obrazowania

Ten protokół jest prezentowany w celu scharakteryzowania złożonych warunków zwilżania nieprzezroczystego porowatego medium (skały zbiornika węglowodorowego) za pomocą trójwymiarowych obrazów uzyskanych za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej w warunkach podpowierzchniowych.

Obrazowanie w skali porów i charakterystyka zwilżalności skał złożowych węglowodorów w warunkach podpowierzchniowych za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej

Procesy krajobrazowe są kluczowymi składnikami formowania gleby i odgrywają ważną rolę w określaniu właściwości gleby i struktury przestrzennej w krajobrazach. Proponujemy nowe podejście wykorzystujące krokową regresję głównych składowych do przewidywania redystrybucji gleby i węgla organicznego w glebie w różnych skalach przestrzennych.

Wykorzystanie głównych komponentów do skalowania modeli topograficznych w celu mapowania redystrybucji gleby i węgla organicznego w glebie

Oferujemy nowatorską metodę poprawy kontrastu absorpcji promieniowania rentgenowskiego tkanki kukurydzy, odpowiednią do zwykłego skanowania metodą tomografii mikrokomputerowej. Na podstawie obrazów CT wprowadzamy zestaw procesów przetwarzania obrazów dla różnych materiałów kukurydzianych, aby skutecznie wyodrębnić mikroskopijne fenotypy wiązek naczyniowych kukurydzy.

Techniki fenotypowania w skali mikronowej wiązek naczyniowych kukurydzy w oparciu o rentgenowską tomografię mikrokomputerową

Protokół opisuje procedury pozyskiwania obrazów tomografii komputerowej (CT) ziarnistego gruntu o wysokiej rozdzielczości przestrzennej podczas trójosiowego ściskania oraz stosowania technik przetwarzania obrazów do tych obrazów CT w celu zbadania mechanicznego zachowania gleby pod obciążeniem w skali ziarna.

Wizualizacja uszkodzeń i związanego z nimi zachowania mechanicznego ziarnistych gruntów ziarnistych pod ścinaniem przy użyciu synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

Ten protokół przedstawia przepływ pracy dla sub-mm wizualizacji 2D wielu labilnych nieorganicznych składników odżywczych i zanieczyszczeń rozpuszczonych za pomocą gradientów dyfuzyjnych w cienkich warstwach (DGT) w połączeniu z obrazowaniem spektrometrii mas. Pobieranie próbek substancji rozpuszczonych i analiza chemiczna o wysokiej rozdzielczości są szczegółowo opisane w celu ilościowego mapowania substancji rozpuszczonych w ryzosferze roślin lądowych.

Dwuwymiarowa wizualizacja i kwantyfikacja labilnych, nieorganicznych składników odżywczych roślin i zanieczyszczeń w glebie

Micro-CT to nieniszczące narzędzie, które może analizować struktury roślin w trzech wymiarach. Niniejszy protokół opisuje przygotowanie próbki w celu wykorzystania mikro-CT do analizy struktury i funkcji roślin pasożytniczych. Aby podkreślić zalety tej metody w połączeniu z określonymi preparatami, stosuje się różne gatunki.

Wykorzystanie mikrotomografii komputerowej do analizy interakcji pasożytniczych między rośliną a żywicielem

Tutaj pokazujemy, jak przetwarzać rdzenie drzew za pomocą łańcucha narzędzi do tomografii komputerowej rentgenowskiej. Z wyjątkiem ekstrakcji chemicznej do niektórych celów, nie jest wymagana dalsza fizyczna obróbka laboratoryjna. Łańcuch narzędzi może być używany do szacowania biomasy, do uzyskiwania danych MXD/szerokości słojów drzew, a także do uzyskiwania ilościowych danych dotyczących anatomii drewna.

Analiza rdzenia drzewa za pomocą rentgenowskiej tomografii komputerowej

Poznaj metodę ekstrakcji metryk korzeniowych z danych tomografii rentgenowskiej w glebie. Ta nieinwazyjna technika pozwala badać struktury korzeni roślin w ich naturalnym środowisku.

Wyodrębnianie metryk dla trójwymiarowych systemów korzeniowych: analiza objętości i powierzchni z danych rentgenowskiej tomografii komputerowej w glebie (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów