उच्च संकल्प गणना टोमोग्राफी का उपयोग करने के लिए तीन आयामी और संयंत्र vasculature की संरचना और समारोह कल्पना
Summary
उच्च संकल्प एक्स – रे गणना टोमोग्राफी (HRCT) एक गैर विनाशकारी नैदानिक इमेजिंग तकनीक है कि संयंत्र vasculature की संरचना और 3 डी में समारोह का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. हम प्रदर्शन कैसे HRCT संयंत्र के ऊतकों और प्रजातियों की एक विस्तृत श्रृंखला के पार जाइलम नेटवर्क के अन्वेषण की सुविधा.
Abstract
High resolution x-ray computed tomography (HRCT) is a non-destructive diagnostic imaging technique with sub-micron resolution capability that is now being used to evaluate the structure and function of plant xylem network in three dimensions (3D) (e.g. Brodersen et al. 2010; 2011; 2012a,b). HRCT imaging is based on the same principles as medical CT systems, but a high intensity synchrotron x-ray source results in higher spatial resolution and decreased image acquisition time. Here, we demonstrate in detail how synchrotron-based HRCT (performed at the Advanced Light Source-LBNL Berkeley, CA, USA) in combination with Avizo software (VSG Inc., Burlington, MA, USA) is being used to explore plant xylem in excised tissue and living plants. This new imaging tool allows users to move beyond traditional static, 2D light or electron micrographs and study samples using virtual serial sections in any plane. An infinite number of slices in any orientation can be made on the same sample, a feature that is physically impossible using traditional microscopy methods.
Results demonstrate that HRCT can be applied to both herbaceous and woody plant species, and a range of plant organs (i.e. leaves, petioles, stems, trunks, roots). Figures presented here help demonstrate both a range of representative plant vascular anatomy and the type of detail extracted from HRCT datasets, including scans for coast redwood (Sequoia sempervirens), walnut (Juglans spp.), oak (Quercus spp.), and maple (Acer spp.) tree saplings to sunflowers (Helianthus annuus), grapevines (Vitis spp.), and ferns (Pteridium aquilinum and Woodwardia fimbriata). Excised and dried samples from woody species are easiest to scan and typically yield the best images. However, recent improvements (i.e. more rapid scans and sample stabilization) have made it possible to use this visualization technique on green tissues (e.g. petioles) and in living plants. On occasion some shrinkage of hydrated green plant tissues will cause images to blur and methods to avoid these issues are described. These recent advances with HRCT provide promising new insights into plant vascular function.
Introduction
परस्पर conduits, फाइबर, और रहने वाले, metabolically सक्रिय कोशिकाओं के एक नेटवर्क – पानी के पौधे की जड़ों से एक संवहनी ऊतक जाइलम बुलाया में पत्तियों के लिए ले जाया जाता है. संयंत्र जाइलम के परिवहन समारोह संश्लेषण के लिए पत्तियों, विकास, और अंततः अस्तित्व के लिए पोषक तत्वों और पानी की आपूर्ति के लिए रखा जाना चाहिए. जब जाइलम नेटवर्क रोगजनक जीवों से समझौता किया है जाइलम conduits में जल परिवहन बाधित हो सकता है. अक्सर रोगज़नक़ प्रसार को अलग करने के लिए (जैसे, 2010 McElrone एट अल 2008) के लिए एक साधन के रूप में इस तरह के संक्रमण के पौधों के लिए प्रतिक्रिया जैल, मसूड़ों, और tyloses उत्पादन. सूखा तनाव भी जाइलम में जल परिवहन को सीमित कर सकते हैं. के रूप में लंबे समय तक सूखे के दौरान पौधों पानी खो, तनाव में जाइलम सार में बनाता है. तनाव के तहत जल metastable है (यानी एक निश्चित सीमा पर तनाव काफी महान के लिए पानी जाइलम conduits में निहित स्तंभों cavitate हो जाता है). बाद cavitation होता है, एक गैस बुलबुला (दिल का आवेश) के रूप में और cond भर कर सकते हैंuit, प्रभावी ढंग से अवरुद्ध पानी आंदोलन (Tyree और स्पेरी 1989), एक गहरे समुद्र में गोताखोर में decompression बीमारी (यानी "झुकता") अनुरूप घटना.
इष्टतम संयंत्र (Tyree और Zimmermann, 2002, Holbrook एट अल, 2005) इस विषय पर ऐतिहासिक और समकालीन साहित्य का एक विशाल शरीर के द्वारा प्रदर्शन समारोह के लिए जाइलम जल परिवहन के महत्व के बावजूद, वहाँ अब भी कर रहे हैं जाइलम नेटवर्क के पहलुओं है कि मायावी रहते हैं . कई अनुसंधान समूहों ने हाल ही में उच्च संकल्प एक्स – रे सूक्ष्म टोमोग्राफी गणना (HRCT) का उपयोग करने के लिए लकड़ी के शरीर रचना विज्ञान के महीन विवरण और संवहनी ऊतक (जैसे मेयो एट अल का मूल्यांकन शुरू कर दिया है, 2010, 2008, Mannes एट अल 2010,. Brodersen एट अल 2010. , 2011, 2012a, ख; माएदा और Miyake, 2009, स्तपी एट अल 2004). HRCT एक nondestructive ठोस वस्तुओं के इंटीरियर में सुविधाओं कल्पना और उनके 3-D संरचनात्मक गुणों पर डिजिटल जानकारी प्राप्त करने के लिए तकनीक का इस्तेमाल किया है. HRCTअपने आकार में एक माइक्रोन के रूप में छोटे रूप में विवरण को हल करने की क्षमता में पारंपरिक चिकित्सा कैट स्कैनिंग से उच्च घनत्व की वस्तुओं के लिए भी अलग है. सिंक्रोटॉन HRCT प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में हाल के अग्रिमों छवि संकल्प और संकेत शोर अनुपात में सुधार हुआ है पर्याप्त इतना है कि संयंत्र पोत नेटवर्क और intervessel कनेक्शन देखे जा सकते हैं, 3 डी निर्देशांक सौंपा है, और हाइड्रोलिक मॉडल सिमुलेशन के लिए निर्यात किया. एट अल. Brodersen (2011) ने हाल ही में 3 डी एक फोरट्रान मॉडल है कि स्वचालित रूप से बहुत उच्च संकल्प पर जाइलम नेटवर्क से डेटा निकालता से कभी पारंपरिक संरचनात्मक तरीके (धारावाहिक यानी एक सूक्ष्म तक्षणी साथ सेक्शनिंग संभव था साथ सिंक्रोटॉन HRCT द्वारा उत्पन्न पुनर्निर्माण के संयोजन के द्वारा इस तकनीक उन्नत और माइक्रोस्कोपी के साथ प्रकाश छवि पर कब्जा, जैसे Zimmermann 1971). यह काम भी जाइलम प्रणाली की हाइड्रोलिक मॉडल का अनुकूलन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है और परिवहन (यानी कुछ ve में रिवर्स प्रवाह की अनूठी विशेषताओं की पहचानपीक वाष्पोत्सर्जन की अवधि के दौरान ssels) (ली एट अल., समीक्षा में).
सिंक्रोट्रॉन HRCT अब जाइलेम कार्यक्षमता, cavitation करने के लिए संवेदनशीलता, और एक 'पौधों embolized conduits की मरम्मत करने की क्षमता की कल्पना करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. Embolized conduits में प्रवाह फिर से स्थापित करने के लिए विफलता हाइड्रोलिक क्षमता, सीमा संश्लेषण, और संयंत्र मृत्यु में चरम मामलों में परिणाम (McDowell एट अल. 2008) को कम कर देता है. पौधे emboli साथ रुकावटों के आसपास पानी आसन्न कार्यात्मक conduits जोड़ने गड्ढ़े के माध्यम से, मनोविनोद और हाइड्रोलिक क्षमता को खो दिया की जगह जाइलम बढ़ती द्वारा सामना कर सकते हैं. कुछ पौधों को पानी कॉलम में टूट की मरम्मत करने की क्षमता होती है, लेकिन तनाव के अंतर्गत ज़ायलम में इस प्रक्रिया के विवरण के लिए दशकों से अस्पष्ट बनी हुई है. एट अल (2010). Brodersen हाल ही में कल्पना और जीना HRCT का उपयोग कर grapevines में refilling प्रक्रिया quantified. सफल refilling पोत जीवित कोशिकाओं से पानी बाढ़ xyl आसपास पर निर्भर थाउन्हें conduits, जहां व्यक्ति पानी की बूँदों समय पर विस्तार भरा वाहिकाओं, और फँस गैस के विघटन के लिए मजबूर किया. समझौता जाइलम वाहिकाओं और तंत्र इन मरम्मत को नियंत्रित करने की मरम्मत के विभिन्न संयंत्रों की क्षमता वर्तमान में जांच की जा रही है.
ALS सुविधा Beamline 8.3.2 का विवरण
तिथि करने के लिए हमारे काम लॉरेंस बर्कले राष्ट्रीय प्रयोगशाला (बर्कले सीए संयुक्त राज्य अमेरिका) में उन्नत हल्के स्रोत पर हार्ड एक्स – रे माइक्रो टोमोग्राफी 8.3.2 Beamline पर आयोजित किया गया है. संयंत्र नमूने एक सीसा लाइन हच स्थित एक्सरे स्रोत से 20 मीटर, एक 6 Tesla superconducting मोड़ चुंबक उन्नत हल्के स्रोत इलेक्ट्रॉन 11.5 कीव के एक महत्वपूर्ण ऊर्जा भंडारण की अंगूठी के परिचालन के भीतर द्विध्रुवीय द्वारा उत्पन्न में रखा जाता है. अंत स्टेशन के एक योजनाबद्ध चित्र 1 में दिखाया गया है. एक्स – रे 40x की एक किरण आकार ~ 4.6 मिमी के साथ हच दर्ज करें और नमूना है कि एक मोटर चालित घूर्णन मंच पर मुहिम शुरू की है के माध्यम से गुजरती हैं.प्रेषित एक्स – रे एक क्रिस्टल (दो सामान्यतः प्रयुक्त सामग्री LuAG या CdWO 4) की scintillator है जो दिखाई प्रकाश है कि एक सीसीडी पर छवि संग्रह के लिए लेंस के माध्यम से relayed है एक्स – रे को बदलने पर टकराना. कैमरा scintillator, और प्रकाशिकी कि रेल कि नमूना – scintillator दूरी चरण विपरीत इमेजिंग के लिए अनुकूलित करने के लिए अनुमति देता है पर है एक प्रकाश तंग बॉक्स में समाहित कर रहे हैं.
सभी नमूनों 10 सेमी व्यास रोटरी मंच है जो बारी में क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर नमूना स्थिति के लिए अनुवाद चरणों पर मुहिम शुरू की है पर बढ़ रहे हैं. जड़ एक कस्टम निर्माण संयंत्र पॉट धारक और एक ऐक्रेलिक ट्यूब में निहित पत्ते में घुड़सवार प्रणाली के साथ रहने वाले संयंत्र का नमूना, चित्रा 2 में देखा जा सकता है. ठेठ जोखिम बार 0.1-1 से लेकर सेकंड 10-18 कीव का उपयोग कर सकते हैं, और स्कैन durations एक विशेष नमूना के लिए अनुकूलित सेटिंग्स के आधार पर 5-40 मिनट से लेकर जाएगा. लंबा नमूने के लिए (संयंत्र जाइलम नेटवर्क के ठेठ), डाटा स्कैन किया जा सकता हैनमूने के साथ अलग हाइट्स, जो स्वचालित रूप से नियंत्रित किया जाता है पर माप, दोहरा ~ 10 सेमी का एक नमूना अधिकतम ऊंचाई के साथ सहज धारावाहिक वर्गों की अनुमति टाइलों. अधिकतम नमूना चौड़ाई जब 4.5 सुक्ष्ममापी संकल्प इमेजिंग ऊर्ध्वाधर अभिविन्यास में लगभग परिपूर्ण हैं कि नमूनों के लिए 1 सेमी है. डेटा पीढ़ी और प्रसंस्करण नीचे सूचीबद्ध प्रोटोकॉल का उपयोग कर पूरा हो गया है. हवा और पानी के बीच क्षीणन एक्स – रे में अंतर की वजह से, उत्कृष्ट छवि के विपरीत विपरीत चिकित्सा सीटी सिस्टम के विशिष्ट समाधान के उपयोग के बिना पौधों में प्राप्त किया जा सकता है. हवा से भरी पोत लुमेन आसानी से आसपास के हाइड्रेटेड पौधों में पानी से भरे ऊतक से अलग पहचाना है.
Protocol
Representative Results
Discussion
Synchotron HRCT एक शक्तिशाली, गैर विनाशकारी अविश्वसनीय विस्तार में संयंत्र vasculature की अंदरूनी कामकाज का पता लगाने के लिए एक उपकरण के साथ संयंत्र जीव प्रदान करता है. इस प्रौद्योगिकी को हाल ही में इस्तेमाल किया गया ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों के लिए एस Castorani, ए जे Eustis, GA Gambetta, मुख्यमंत्री Manuck, Z Nasafi, और एक zedan धन्यवाद देना चाहूंगा. इस काम के द्वारा वित्त पोषित किया गया था: कृषि कृषि अनुसंधान सेवा वर्तमान अनुसंधान सूचना प्रणाली के वित्तपोषण के अमेरिकी विभाग (अनुसंधान परियोजना 5306-21220-004-00 नहीं, उन्नत हल्के स्रोत निदेशक, विज्ञान के कार्यालय, बेसिक के कार्यालय द्वारा समर्थित है. ऊर्जा विज्ञान, अमेरिका के ऊर्जा विभाग के अनुबंध के तहत डे AC02 – 05CH11231 संख्या), और NIFA विशेषता फसलों अनुसंधान पहल AJM के लिए अनुदान.
Materials
| Material Name/Equipment | Company | Catalogue Number | Comments (optional) |
| See specifics listed above regarding equipment at the Advanced Light Source beamline 8.3.2 |
References
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