Name: Analiza rdzenia drzewa za pomocą rentgenowskiej tomografii komputerowej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-09-22T12:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 56 s
Description: Poznaj analizę rdzenia drzewa metodą tomografii komputerowej CT do szacowania biomasy i dendrochronologii. Technika umożliwia szybkie skanowanie próbek z tropikalnych i umiarkowanych stref klimatycznych.

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

Dziękujemy trzem anonimowym recenzentom za ich opinie i sugestie. Badania te zostały sfinansowane przez BOF Special Research Fund for JVdB (BOF Starting Grant BOF. STG.2018.0007.01), dla UGCT jako Centrum Wiedzy Specjalistycznej (BOF. EXP.2017.0007) oraz jako instrument podstawowy (BOF. COR.2022.008), autorzy dziękują również Fundacji Badawczej Flandrii (G019521N i G009720N) oraz Funduszowi Badań Przemysłowych UGent (IOF) za wsparcie finansowe infrastruktury poprzez grant IOF. APP.2021.0005 (projekt FaCT F2021/IOF-Equip/021).

High-Throughput Tree Ring Analysis and Density Estimation

Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.

Krytyczne kroki w ramach protokołu Krytyczne kroki w ramach protokołu obejmują właściwe obchodzenie się z wiertarką inkrementacyjną w celu uzyskania wysokiej jakości rdzeni inkrementacyjnych (krok 1.1. i patrz39), aby uniknąć kawałków. Następnie ważne jest, aby rdzenie pozostały niezamontowane (ale patrz26), zarówno w celu włożenia do uchwytu próbki (rysunek 5, patrz21), jak i w celu prawidłowej ekstrakcji żywicy<su...

Gęstość drewna jest łatwą do pomiaru zmienną1, która odzwierciedla zarówno właściwości anatomiczne, jak i chemiczne drewna2. W szacowaniu nadziemnej biomasy gęstość drewna jest istotną zmienną wagową 3,4,5, którą mnoży się przez wymiary drzewa oraz współczynnik reprezentujący zawartość węgla w drewnie. Gęstość drewna jest ściśle powiązana z właściwościami mechanicznymi drewna konstrukcyjnego6 i odzwierciedla historię życiową drzewa7.
Gęstość ściany komórkowej wynosi w przybliżeniu 1500 kg/m³ i jest uważana za dość stałą8, jednak należy również uwzględnić zmienność gęstości ścian komórkowych w obrębie jednego przyrostu rocznego8,9. Komórki zdrewniałe (zazwyczaj cewki u iglastych oraz naczynia, miąższ i włókna u liściastych) są zróżnicowane pod względem orientacji i kształtu, a grubość ich ścian oraz wielkość światła komórki są zmienne10. W związku z tym gęstość drewna różni się między drzewami, w obrębie jednego drzewa (osiowo i poprzecznie) oraz w krótkich odstępach wewnątrz jednego przyrostu rocznego11,12. W wielu przypadkach zmienność gęstości drewna w skali pierścienia wyznacza również granicę przyrostu rocznego13. Gęstość drewna i ostatecznie frakcje tkankowe są generowane i w niniejszej pracy szeroko podzielone na trzy kategorie (tj. trzy różne skale rozdzielczości), w zależności od celu badania (Rysunek 1), zgodnie z poniższym opisem.
Skala międzyringowa: Poprzez pomiar fragmentów drewna uzyskuje się pojedynczą wartość dla danej próbki. Można to osiągnąć metodą zanurzeniową w wodzie lub geometrycznie14. W ten sposób można wyznaczyć ogólną biomasę lub technologiczne zmienne drewna. Aby uwzględnić zmienność od rdzenia do kory, fragmenty drewna te można dalej podzielić na bloki, które są mierzone ręcznie w celu uzyskania informacji o strategii historii życia15. Przy zastosowaniu niskorozdzielczej tomografii komputerowej (CT) promieni X, takiej jak w skanerach medycznych17,18, dane TRW dla pierścieni średnich i szerokich mogą być efektywnie pozyskiwane z wielu próbek18,19,20. Jest to również skala, która może być wykorzystana do oceny biomasy od rdzenia do kory zarówno w drzewach strefy umiarkowanej, jak i tropikalnych4,22, przy rozdzielczościach zazwyczaj mieszczących się w zakresie od 50 µm do 200 µm.
Skala słoja: Drewno jest zapisem przeszłych warunków środowiskowych. Najlepiej znanym parametrem jest szerokość słoja drzewa (TRW), jednak w przypadku rekonstrukcji temperatur globalnych wykazano, że zapisy maksymalnej gęstości drewna późnego (MXD) stanowią lepszy wskaźnik temperatury22. MXD jest zmienną łatwą do pomiaru23 oraz wskaźnikiem grubości ścian komórkowych i rozmiaru komórek w ostatnich komórkach słoja drzewa; w obrębie górnej granicy lasu oraz w regionach borealnych jest ona dodatnio skorelowana z sezonową temperaturą powietrza24: im cieplejsze i dłuższe są lata, tym silniejsza zachodzi lignifikacja ścian komórkowych, co zwiększa gęstość tych ostatnich komórek. Tradycyjne pomiary, takie jak metoda zanurzeniowa i geometryczna, są mniej dokładne przy określaniu gęstości na poziomie słoja. Wcześniejsza praca opracowała łańcuch narzędziowy wykorzystujący filmy rentgenowskie do analizy cienkich przekrojów próbek25. Zainicjowało to rewolucję zarówno w leśnictwie, jak i później w paleoklimatologii15,18, definiując maksymalną gęstość drewna późnego (MXD), czyli szczytową wartość gęstości często występującą na końcu słoja, jako wskaźnik temperatury letniej. Podstawowa zasada polega na tym, że próbki są piłowane (do grubości około 1,2 mm do 7 mm13) tak, aby były idealnie równoległe do kierunku osiowego, a następnie próbka jest kładziona na czułym filmie wystawionym na działanie źródła promieni rentgenowskich. Następnie filmy radiograficzne są odczytywane za pomocą źródła światła, które wykrywa intensywność i zapisuje profile oraz roczne parametry słojów drzewa. Narzędzia te wymagają jednak znacznej ilości przygotowania próbek i pracy ręcznej. Ostatnio opracowano bardziej zestandaryzowaną metodę dla tomografii komputerowej (CT) rentgenowskiej lub opartą na zamontowanych rdzeniach26. Rozdzielczość w tym przypadku mieści się w przedziale od 10 µm do 20 µm. W tej skali mierzone jest również TRW, szczególnie w przypadku słojów o mniejszych wymiarach.
Skala anatomiczna: W tej skali (rozdzielczość &lt; 4 µm) średnie poziomy gęstości stają się mniej istotne, ponieważ wizualizowane są główne cechy anatomiczne, a ich szerokość i proporcje mogą być mierzone. Zazwyczaj odbywa się to poprzez wykonywanie mikrosekcji, wysokorozdzielczych skanów optycznych lub skanów µ-CT. Gdy konieczna jest wizualizacja ultrastruktury ścian komórkowych, najczęściej stosowaną metodą jest skaningowa mikroskopia elektronowa27. W skali anatomicznej widoczne stają się poszczególne frakcje tkanek, co pozwala na wyznaczenie parametrów fizjologicznych na podstawie obrazów. Na podstawie indywidualnych parametrów anatomicznych oraz gęstości ścian komórkowych drewna można wyznaczyć gęstość anatomiczną w celu porównania jej z konwencjonalnymi metodami szacowania gęstości drewna24.
Dzięki udoskonalonym technikomycinania i oprogramowaniu do analizy obrazów29,30, rozwój dendroanatomii30 pozwolił na uzyskanie dokładniejszych zapisów drewna, zarówno w celu ściślejszej oceny MXD u iglaków, jak i pomiaru wielu zmiennych anatomicznych w drzewach liściastych. Na tej skali mierzone są rzeczywiste parametry anatomiczne, które następnie odnosi się do parametrów środowiskowych31. Poziom ten można uzyskać również za pomocą µCT32,33.
Ponieważ drewno jest z natury higroskopijne i anizotropowe, gęstość drewna musi być starannie zdefiniowana, a warunki pomiaru muszą zostać określone jako: po wysuszeniu w piecu, zakondycjonowane (zazwyczaj przy 12% zawartości wilgoci) lub świeże (takie, jakie było w momencie ścinki w lesie)34. W przypadku dużych próbek i do celów technicznych gęstość drewna definiuje się jako stosunek masy do objętości w określonych warunkach. Wartość gęstości drewna jest jednak silnie zależna od skali pomiaru; na przykład gęstość drewna może podwoić się w przekroju od rdzenia do kory, a w skali przyrostów (w przypadku drzew iglastych) przejście od drewna wczesnego do późnego również skutkuje znacznym wzrostem gęstości, z maksimum na granicy przyrostu.
W niniejszym materiale przedstawiono protokół skanowania rentgenowskiego CT próbek przyrostowych w celu pomiaru cech w trzech wspomnianych skalach (Rysunek 1). Dzięki elastycznej konfiguracji, współczesne osiągnięcia w technice X-ray CT pozwalają na objęcie większości tych skal. Ostateczny protokół skanowania będzie zależał od założonych celów badawczych.
Kluczowym czynnikiem ograniczającym (który jest nierozerwalnie związany ze skalowalną naturą gęstości drewna i drewna w ogóle) jest rozdzielczość oraz czas niezbędny do skanowania. Przykłady demonstrują, jak: (i) uzyskać profile gęstości drewna w skali pierścieni drzew dla szacowania biomasy w Terminalia superba z basenu Konga, (ii) uzyskać zapisy gęstości cedru Clanwilliam (Widdringtonia cedarbergensis) w oparciu o skanowanie spiralne w systemie HECTOR35 oraz (iii) zmierzyć parametry naczyń w dębie bezszypułkowym przy użyciu systemu Nanowood. Oba skanery należą do zestawu urządzeń w Centrum Tomografii Rentgenowskiej UGent (UGCT,
<img alt="Schemat workflow analizy drzewa; szacowanie biomasy, TRW, MXD; skanowanie 3D, przetwarzanie programowe." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65208/65208fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Ogólny schemat decyzyjny metodologii dla tomografii komputerowej (CT) wykonanej promieniami rentgenowskimi. Wiersze wskazują kolejne kroki, począwszy od celu badawczego, aż po końcowy format danych. Białe pola oznaczają etapy istotne dla tego łańcucha narzędzi. Pola wyszarzone to kroki, które można wykonać za pomocą innego oprogramowania lub pakietów języka R, takich jak dplr47 i Treeclim48 do analizy słojów drzewa, a także ROXAS44 oraz ImageJ42 lub innych (komercyjnych) aplikacji do wyznaczania parametrów anatomicznych drewna na podstawie obrazów CT. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65208/65208fig01large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
Badania drewna przy użyciu X-CT 
Konfiguracja skanera: Standardowy skaner tomografii komputerowej rentgenowskiej składa się z lampy rentgenowskiej, detektora promieniowania X, stołu obrotowego oraz zestawu silników do przesuwania stołu obrotowego, a w większości przypadków również detektora, w przód i w tył (Rycina 2).
<img alt="Układ tomografii rentgenowskiej, stół obrotowy, detektor, droga wiązki, SOD, SDD, schemat procesu obrazowania." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65208/65208fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2. System skanujący HECTOR. System35, z zaznaczoną odległością źródło-detektor (SDD) oraz odległością źródło-obiekt (SOD). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65208/65208fig02large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
Większość systemów laboratoryjnych posiada geometrię wiązki stożkowej, co oznacza, że wytwarzane promienie rentgenowskie są rozproszone z okna wyjściowego lampy w kształcie stożka. Implikuje to, że poprzez zmianę odległości między obiektem a lampą (SOD = Source-Object-Distance) oraz między detektorem a lampą (SDD = Source-Detector-Distance) kontrolowane jest powiększenie (patrz: omówienie rozdzielczości). Ze względu na przenikalność promieni rentgenowskich przechodzą one przez obiekt, a intensywność wiązki tłumionej jest funkcją energii wiązki promieniowania, składu chemicznego obiektu (liczby atomowej obecnych pierwiastków) oraz gęstości materiału. Przy stałym spektrum energii i stałym składzie materiałowym drewna, tłumienie wiązki promieni rentgenowskich jest silnie zależne od gęstości materiału, co wyjaśnia jego zastosowanie w densytometrii. Tłumienie (lub transmitancję) można wyrazić za pomocą prawa Beera-Lamberta:
<img alt="Równanie wykładniczego tłumienia \(I_d = I_0 e^{-\mu d}\) na schemacie radiograficznym." src="/files/ftp_upload/65208/65208eq01.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Równanie 1">
gdzie I0 to padający wiązka promieniowania rentgenowskiego, która zanika wykładniczo do wiązki transmitowanej Id podczas propagacji przez materiał na dystansie d. Liniowy współczynnik osłabienia µ zależy od szeregu oddziaływań z materiałem obiektu. Projekcje są zatem zapisami wiązki transmitowanej.
W praktyce obiekt montuje się na stole obrotowym, wybiera odpowiednie SOD i SDD oraz określa odpowiednią moc (zależnie od rozmiaru, gęstości i składu obiektu), a następnie obiekt obraca się o 360°, wykonując podczas tego obrotu wiele projekcji. Projekcje te służą następnie do rekonstrukcji struktury wewnętrznej obiektu. Dostępnych jest kilka algorytmów rekonstrukcyjnych, z których najczęściej stosowane wciąż opierają się na opracowanych przed dziesiątkami lat ramach analitycznych, bazujących na transformacji Radona i twierdzeniu o przekroju Fouriera. Po więcej szczegółów czytelnika odsyłamy do literatury specjalistycznej36.
Problem rozdzielczości, objętości danych i wielkości próbki: Rozdzielczość jest kluczowym parametrem w tomografii komputerowej (CT) promieni rentgenowskich. W systemach o geometrii odwróconej lub geometrii wiązki równoległej, takich jak linie synchrotronowe, istotne są inne uwarunkowania. Niniejszy protokół dotyczy wyłącznie standardowego laboratoryjnego skanowania CT promieni rentgenowskich z geometrią wiązki stożkowej. W tym przypadku kluczowe są pojęcia powiększenia, rozmiaru piksela detektora i rozmiaru plamki. Powiększenie definiuje się jako stosunek SDD/SOD. Kolejnym czynnikiem wpływającym na rozdzielczość jest rozmiar piksela detektora: im mniejszy rozmiar piksela, tym wyższa rozdzielczość, jednak w większości przypadków pole widzenia (FoV) jest również bezpośrednio powiązane z rozmiarem piksela i rozmiarem detektora (mniejszy rozmiar piksela oznacza mniejsze FoV przy tej samej liczbie pikseli). Ponadto istotny jest rozmiar plamki wiązki promieni rentgenowskich: im większy rozmiar plamki, tym niższa rozdzielczość, co oznacza mniejszą widoczność szczegółów.
Ważne jest, aby zaznaczyć, że można uzyskać rozdzielczość wyższą niż ta możliwa zgodnie z wyżej wymienionymi ograniczeniami, dlatego lepiej jest używać terminu rozmiar woksela (woksel to piksel objętościowy) zamiast rozdzielczości. Ponadto istnieją inne czynniki, takie jak ostrość detektora, które dodatkowo ograniczają rzeczywistą rozdzielczość, z jaką skanowany jest obiekt. Jedynie właściwa kalibracja systemu, z wykorzystaniem uznanych wzorców, dostarcza wiarygodnej odpowiedzi.
W większości przypadków rozmiar woksela, przy którym można zeskanować obiekt, jest ograniczony przede wszystkim przez wielkość samego obiektu. Oznacza to, że im większy jest obiekt, tym mniejszy będzie rozmiar woksela. Jeśli obiekt nie mieści się w polu widzenia (FoV) detektora dla określonego rozmiaru woksela, można go zmniejszyć, na przykład poprzez ograniczenie powiększenia.
Czas skanowania oraz objętość danych są istotnymi czynnikami przy wyborze pożądanej wielkości woksela. Generalnie mniejsza wielkość woksela oznacza chęć uzyskania większej szczegółowości, mniejszą próbkę lub mniejszą liczbę próbek, które można zeskanować jednocześnie, a także wydłuża czas pomiaru i zwiększa objętość gromadzonych danych. Rozważmy następujący przykład teoretyczny: jeśli za pomocą określonego systemu mikro-CT można jednorazowo zeskanować próbkę o wymiarach 10 cm x 10 cm x 10 cm z rozdzielczością 50 µm i chcielibyśmy zeskanować tę samą objętość z rozdzielczością 10 µm, to objętość mieszcząca się w polu widzenia (FoV) wynosiłaby jedynie 2 cm x 2 cm x 2 cm, zakładając, że jest to fizycznie możliwe. Oznacza to, że do pokrycia całej objętości potrzeba byłoby 125 skanów (5³ = 5-krotnie wyższa rozdzielczość, co skaluje się do potęgi trzeciej ze względu na wolumetryczny charakter techniki obrazowania), a objętość danych wzrosłaby analogicznie. Oczywiście jest to jedynie eksperyment myślowy i należy wziąć pod uwagę znacznie więcej czynników niż tylko rozdzielczość. Po więcej informacji czytelnik może zapoznać się z przeglądem możliwości skanowania37.
Elastyczność urządzeń do skanowania obiektów drewnianych: W ostatniej dekadzie wiele firm dostarczyło systemy CT rentgenowskiego o konstrukcji podobnej do HECTOR35. Przegląd kilku systemów CT, ocenianych szczególnie pod kątem rozdzielczości czasowej, przedstawiono w38.
Ogólnie rzecz biorąc, elastyczność i łatwość obsługi systemów tomografii komputerowej rentgenowskiej (X-ray CT) uległy znacznej poprawie. Wiele systemów umożliwia skanowanie szerokiej gamy obiektów, co ma miejsce również w przypadku systemów w UGCT. Poniższy protokół został zaprezentowany dla systemu HECTOR, który nadaje się do analizy słojów drzew. Protokół ten jest jednak aktualny dla każdego innego dostępnego systemu, o ile pozwalają na to rozdzielczość i format danych.
Systemy te umożliwiają skanowanie różnorodnych obiektów. Kilka zdjęć różnych drewnianych obiektów zeskanowanych za pomocą systemu HECTOR przedstawiono na Rysunku 3. To właśnie ta elastyczność obejmuje trzy skale przedstawione na Rysunku 1, od rozdzielczości niskiej do bardzo wysokiej.
<img alt="Układ doświadczalny do tomografii komputerowej (CT); obejmuje skrzypce, drewniane cylindry oraz systemy obrazowania rentgenowskiego." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65208/65208fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3Przykłady konfiguracji skanowania. (A) dziennik, (B) wiolonczela49, (C) uchwyty na próbki (typ 1) z rdzeniami drzewnymi do skanowania seryjnego i (D) uchwyt do próbek typu 2 z rdzeniami przyrostowymi do skanowania helikoidalnego, zamontowany na stole obrotowym urządzenia HECTOR. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65208/65208fig03large.jpg" target="_blank">Aby wyświetlić większą wersję tej figury, kliknij tutaj.</a>

<table><tbody><tr><td>Słomki papierowe 6 mm&nbsp;</td><td>http://artstraws.com/education/product/artstraws-thick-asst-cols/</td><td></td> <td>rdzeniowe</td></tr><tr><td>aluminiowe uchwyty</td><td></td><td></td><td></td>rdzeniowe</tr><tr><td>Norma ASTM ASTM D 1107 &ndash; 96</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tekturowe tuby pocztowe</td><td>https://www.rajapack.co.uk/envelopes-mailing-bags/postal-tubes/1-5-2mm-brown-cardboard-postal-tubes_PDT05623.html</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Wiertarka kolumnowa</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sprzęt komputerowy do rekonstrukcji i analizy</td><td></td><td></td><td>RTG TK</td></tr><tr><td>Chłodzenie&nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Piec</td><td></td><td></td><td></td>do suszenia</tr><tr><td>etanolu&nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kolba pod soxhlet (2000 ml)</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pianka florystyczna</td><td>https://www.oasisfloral.eu/</td><td></td> <td>Uchwyt na próbkę typ 1</td></tr><tr><td>Koraliki szklane do wypełnienia pustej objętości Soxhleta w celu zaoszczędzenia rozpuszczalnika</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Klej</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kąpiel w gorącej wodzie&nbsp;</td><td></td><td></td> https://www.memmert.com/products/water-baths/water-bath/#!filters=%7B%7D <td>Ekstrakcja Soxhleta</td></tr><tr><td>Świdr przyrostowy&nbsp;</td><td>https://haglofsweden.com/project/increment-borers/</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>Cylinder z tworzywa sztucznego&nbsp;</td><td>Moonen i in. 2022&nbsp;</td><td></td><td>Uchwyt na próbkę typ 2</td></tr><tr><td>Butle z tworzywa sztucznego</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Zbiornik</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dostosowany aparat soxhlet&nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Toluen&nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pompa wodna&nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tomograf</td><td></td><td></td><td></td> rentgenowski</tr></tbody></table>

analiza rdzenia drzewa za pomocą rentgenowskiej tomografii komputerowej

Tree Core Analysis with X-ray Computed Tomography

Przedstawiono łańcuch narzędzi do tomografii komputerowej rentgenowskiej (CT) w celu uzyskania szerokości słojów drzew (TRW), maksymalnej gęstości drewna późnego (MXD), innych parametrów gęstości i danych ilościowych dotyczących anatomii drewna (QWA) bez potrzeby pracochłonnej obróbki powierzchni lub fizycznego przygotowania próbki. Nacisk kładziony jest na rdzenie inkrementacyjne i procedury skanowania w rozdzielczościach od 60 μm do 4 μm. Zdefiniowano trzy skale, w których należy przyjrzeć się drewnu: (i) skala międzypierścieniowa, (ii) skala słojów, tj. skala słojów drzew i skala densytometryczna, a także (iii) skala anatomiczna, przy czym ta ostatnia zbliża się do konwencjonalnej jakości cienkiego przekroju. Specjalnie zaprojektowane uchwyty na próbki dla każdej z tych wag umożliwiają wysokowydajne skanowanie wielu rdzeni inkrementacyjnych. Opracowano szereg procedur programowych specjalnie w celu skutecznego przetwarzania trójwymiarowych obrazów rentgenowskich rdzeni drzew za pomocą rentgenowskiej tomografii komputerowej do TRW i densytometrii. W tej pracy pokrótce wyjaśniono podstawowe zasady tomografii komputerowej, które są potrzebne do prawidłowego zrozumienia protokołu. Protokół jest przedstawiony dla niektórych znanych gatunków, które są powszechnie stosowane w dendrochronologii. Połączenie przybliżonych szacunków zagęszczenia, danych TRW i MXD, a także ilościowych danych anatomicznych, pozwala nam poszerzyć i pogłębić aktualne analizy pod kątem rekonstrukcji klimatu czy reakcji drzew, a także dalej rozwijać dziedzinę dendroekologii/klimatologii i archeologii.

Jeśli celem jest oszacowanie biomasy lub przyrostu wzrostu drzewa dla wielu próbek, tj. w skali między pierścieniami (Rysunek 1), wówczas do skanowania próbek w celu uzyskania profili gęstości (patrz krok 5.4.3) oraz szacunków wzrostu drzewa stosuje się uchwyt do próbek 1 (Rysunek 5), np. w przypadku drzew szybkorosnących o dużym TRW, co pozwala na zastosowanie niższej rozdzielczości. Rysunek 12 przedstawia przykład trendów gęstości...

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

An X-ray computed tomography (CT) toolchain is presented to obtain tree-ring width (TRW), maximum latewood density (MXD), other density parameters, and ...

Zakres moich badań polega na badaniu wzrostu drewna i jego reakcji na klimat. Pytania, na które staram się odpowiedzieć, to: jak możemy zrekonstruować klimat z przeszłości i jaka jest reakcja drzew na obecne zmiany klimatyczne? Tak więc obecne wyzwania eksperymentalne, przed którymi stoimy, to między innymi duże ilości danych, które uzyskujemy za pomocą tomografii komputerowej rentgenowskiej.Musimy więc znaleźć odpowiednią równowagę między liczbą próbek, które chcemy zeskanować, a wymaganą rozdzielczością. Techniki rentgenowskiej tomografii komputerowej pozwoliły nam skanować rdzenie drzew w niespotykanym dotąd tempie. Posiadamy profile gęstości zarówno z regionów tropikalnych, jak i umiarkowanych.Tak więc głównymi zaletami, jakie mamy z naszą techniką, jest to, że możemy wykonać wiele wysokowydajnych skanów i analiz, ale także to, że wszystkie wskazania i manipulacje, które wykonujemy, są identyfikowalne w całym łańcuchu narzędzi, w tym we wskazaniach słojów drzew. To narzędzie pozwoli nam zaktualizować obecne chronologie maksymalnej gęstości późnego drewna, a także zmierzyć właściwości drewna na rdzeniach drzew z całego świata, zwłaszcza w regionach, w których dostępnych jest niewiele danych. Na początek wydrąż drzewo za pomocą świdra Pressler.Włóż rozklejone rdzenie drzew do sześciomilimetrowych papierowych słomek i zaznacz je ołówkiem. Napełnij kolbę okrągłodenną rozpuszczalnikiem i umieść słomkę na wsporniku ze stali nierdzewnej w aparacie Soxhleta z chłodnicą na podgrzewaczu laboratoryjnym. Po zasysaniu rdzenie suszyć przez 24 godziny w piekarniku w temperaturze 103,5 stopni Celsjusza pod wentylacją wyciągową.Następnego dnia wykonuj ekstrakcję Soxhleta gorącą wodą przez 24 godziny. Umieścić próbki w stalowych uchwytach na próbki i ponownie je suszyć przez 24 godziny. Następnie umieść rdzenie z uchwytu na próbkę uszczelki z powrotem w słomkach.Aby rozpocząć skanowanie rdzenia, w zależności od celu badawczego, wybierz odpowiedni typ uchwytu na próbkę, załaduj rdzenie drzew w papierowych słomkach do uchwytu na próbkę i zapisz pozycję każdego rdzenia w szablonie arkusza kalkulacyjnego do pobrania. Wykonaj skanowanie rentgenowskie mikrotomografii komputerowej zgodnie z odpowiednimi ustawieniami i protokołem skanowania. Aby uzyskać wartości gęstości, zainstaluj przyborniki Core Processor, Ring Indicator i Core Comparison (Porównanie rdzeni), korzystając z podanego linku.Następnie, w celu wstępnego przetworzenia woluminów rdzeniowych za pomocą procesora Core, wybierz folder ze zrekonstruowanymi 16-bitowymi przekrojowymi przekrojowymi warstwami TIFF i plikiem arkusza kalkulacyjnego. Wybierz kilka plasterków do kontroli. Następnie wybierz ciemne i białe odniesienia, jak wskazano w pliku arkusza kalkulacyjnego do obliczeń gęstości drewna.W nowym wyskakującym okienku, postępując zgodnie z informacjami z pliku arkusza kalkulacyjnego, wybierz każdy rdzeń osobno, rysując wokół niego okrąg lub elipsę. Następnie kliknij Masowe wydobycie rdzenia, aby wyodrębnić wszystkie rdzenie w danym cylindrze. W przyborniku Core Processor kliknij opcję Manual Tg correction (Ręczna korekta Tg).Następnie wybierz wyodrębniony folder i upewnij się, że płaszczyzna poprzeczna i promieniowa każdego woluminu rdzeniowego jest prawidłowa. Aby zobrazować kierunek ziarna z prawego dolnego wykresu, obserwuj prezentowany wycinek i narysuj linię wskazującą kierunek ziarna. Kliknij dwukrotnie, aby automatycznie obrócić rdzeń.Następnie przytnij objętość rdzenia, aby uzyskać tylko drewno i żaden inny materiał. Otwórz przybornik Wskaźnik pierścienia i wybierz wielostronicowy plik TIFF. Następnie, na karcie woluminu, sprawdź graficzny interfejs użytkownika w płaszczyźnie poprzecznej i promieniowej.Aby uzyskać korektę strukturalną w płaszczyźnie poprzecznej i promieniowej, kliknij obraz, aby wstawić zielone paski zaczynające się od rdzenia, a kończące na najnowszym pierścieniu. Po umieszczeniu zielonego paska na jednej płaszczyźnie jest on automatycznie generowany na innych płaszczyznach. Kliknij opcję Densytometria, a następnie Wykres densytometrii, aby obliczyć profil gęstości.Utwórz i wydrukuj profil gęstości, wybierając opcję Wydruk nakładający, a następnie Profil gęstości wydruku. Po wizualizacji profilu zagęszczenia należy wskazać wszystkie słoje drzew. Przesuń węzły na końcu pręta, aby zmienić kąt.Następnie zmień położenie pręta za pomocą środkowego węzła i dostosuj rozmiar węzłów. Naciśnij Dane, a następnie Eksportuj. Naciśnij Pierścienie, a następnie Eksportuj pierścienie, aby upewnić się, że wskazania pierścieni i włókien są zapisane w odpowiednich plikach txt.Zmień datę ścinki na rok, w którym rdzenie zostały pobrane z żywych drzew lub wybierz odpowiednią datę. W polu Drukowanie nakładkowe wybierz opcję Drukuj pierścienie, aby wyświetlić lata. Należy również wybrać płaszczyznę, na której mają zostać wykreślone pierścienie, lub profil gęstości.Po wskazaniu dwóch rdzeni otwórz przybornik Porównanie rdzeni w celu porównania serii szerokości pierścieni. Wybierz pliki txt do porównania, a następnie otworzy się ekran wyświetlający szerokości pierścieni i datowanie krzyżowe oraz parametry statystyczne, takie jak korelacja Gleichlaufigkeit i Spearmana między poszczególnymi seriami. Otwórz instancję wskaźnika pierścienia, aby dostosować zielone paski i wyeksportować je ponownie.Następnie zmaksymalizuj ekran Porównanie rdzeni i naciśnij przycisk odświeżania, aby ponownie ocenić metryki. Następnie wybierz opcję Kreślenie i eksportowanie, a następnie Szerokość słojów, aby wyświetlić szerokość słojów drzewa lub dane TRW. Kliknij opcję Kreślenie i eksportowanie, a następnie Eksportuj dane RW, aby wyeksportować dane TRW w formacie arkusza kalkulacyjnego lub Tucson.Na koniec wybierz drugi wykres, a następnie wyeksportuj dane skupiska w celu uzyskania danych o średniej gęstości, MXD, MND i kwartylu na słoj drzewa. Badanie to przedstawia trzy poziomy szacowania biomasy lub przyrostu wzrostu drzew w skali międzypierścieniowej, pierścieniowej i anatomicznej. Promieniowe i osiowe trendy gęstości drewna w Terminalia superba wykazały tendencję wzrostową gęstości od rdzenia do kory i większą gęstość drewna w górnej części łodygi.Przedstawiono przykład rozwoju chronologii z minimalną i maksymalną gęstością późnego drewna Widdringtonia cedarbergensis. Skan rdzenia dębowego o wysokiej rozdzielczości wykazał, że naczynia z drewna wczesnego i późnego są podzielone na segmenty.

tree-core-analysis-with-x-ray-computed-tomography

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

Opisano zastosowanie tomografii rentgenowskiej z dyspersją energii w skaningowym transmisyjnym mikroskopie elektronowym do scharakteryzowania rozkładów pierwiastków w pojedynczych nanocząstkach w trzech wymiarach.

Tomografia rentgenowska z dyspersją energii do mapowania pierwiastkowego 3D pojedynczych nanocząstek

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

Tutaj przedstawiono protokół opisujący etapy przygotowania próbki i zbierania danych wymagane w kriogenicznej tomografii rentgenowskiej (SXT) do obrazowania ultrastruktury całych komórek kriokonserwowanych w rozdzielczości połowy tonu 25 nm.

Kartograficzny opis 3D komórki za pomocą kriomiękkiej tomografii rentgenowskiej

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

Udostępniamy technikę zachowania nienaruszonego łyka drzewnego i przygotowania go do obserwacji.  Tworzymy aparat zwany kanapką łyka, który pozwala na wprowadzenie i obserwację stawonogów, drobnoustrojów i innych organizmów zasiedlających tkanki łyka.

Technika badania zbiorowisk stawonogów i mikroorganizmów w tkankach drzew

Biomasa roślinna stanowi źródło odnawialne dla wielu produktów, w tym paliwa, paszy, żywności i różnych materiałów. W artykule badamy właściwości drzewa tytoniowego (Nicotiana glauca) i topoli jako odpowiednich źródeł dla rurociągu biorafineryjnego.

Profilowanie transkryptu i metabolitów w celu oceny drzewa tytoniowego i topoli jako surowca dla przemysłu biotechnologicznego

Tutaj prezentujemy protokół opisujący, jak pobierać próbki z drewnianych próbek w celu ogólnej oceny ich struktur wzrostu. Opisano makro- i mikroskopowe techniki preparacji i wizualizacji niezbędne do wygenerowania dobrze odwzorowanych i wysoce rozdzielczych zbiorów danych anatomicznych i dendroekologicznych drewna.

Perspektywa techniczna we współczesnych badaniach słojów drzew - jak pokonać wyzwania dendroekologiczne i anatomiczne drewna

Protokoły szybkiej oceny biologicznej wykorzystujące makrobezkręgowce bentosowe są często używane do monitorowania i oceny jakości wody. Skuteczny protokół obejmuje kolekcje wysięków poczwarkowych Chironomidae unoszących się na powierzchni (SFPE). Opisano tu techniki zbierania w terenie, obróbki laboratoryjnej, montażu szkiełek i identyfikacji Chironomidae SFPE.

Wykorzystanie pływających powierzchniowo wysięków poczwarkowych Chironomidae (Dipterae) jako protokołu szybkiej oceny biologicznej zbiorników wodnych

Przedstawiono protokół podziału rdzeni osadów i wydobywania wód porowych w warunkach beztlenowych, aby umożliwić analizę wrażliwych na redoks gatunków zarówno w ciałach stałych, jak i płynach.

Cięcie rdzenia osadowego i ekstrakcja wód porowych w warunkach beztlenowych

Poznaj analizę rdzenia drzewa metodą tomografii komputerowej CT do szacowania biomasy i dendrochronologii. Technika umożliwia szybkie skanowanie próbek z tropikalnych i umiarkowanych stref klimatycznych.

Analiza rdzenia drzewa za pomocą rentgenowskiej tomografii komputerowej

Przeglądaj więcej filmów