Summary
פרוטוקול זה מתאר תהליך לאיסוף מהיר של תמונות של שתילי ארבידופסיס להגיב לגירוי הכבידה באמצעות סורקים שטוחים, זמינים מסחרי. השיטה מאפשרת לכידה של תמונות ברזולוציה גבוהה נוחות לניתוח אלגוריתמים במורד הזרם זול, בנפח גבוה.
Abstract
מאמצי מחקר בביולוגיה ויותר דורשים שימוש במתודולוגיות המאפשרות איסוף בנפח גבוה של נתונים ברזולוציה גבוהה. אתגר מעבדות יכולות להתמודד הוא הפיתוח והשגה בשיטות אלה. תצפית של פנוטיפים בתהליך של עניין היא מטרה טיפוסית של מעבדות מחקר לומדות תפקוד גן וזו מושגת לעתים קרובות באמצעות לכידת תמונה. תהליך מסוים שניתנים לתצפית תוך שימוש בגישות הדמיה הוא הצמיחה המתקנת של שורש שתיל שנעקר מיישור עם וקטור כוח הכבידה. פלטפורמות הדמיה המשמשות כדי למדוד את תגובת gravitropic השורש יכולות להיות יקרות, נמוכות יחסית בתפוקה, ו / או עבודה אינטנסיבית. נושאים אלה טופלו על ידי פיתוח שיטת לכידת תמונת תפוקה גבוהה תוך שימוש ברזולוציה גבוהה עדיין, סורקים זולים, שטוחים. באמצעות שיטה זו, ניתן ללכוד תמונות כל כמה דקות ב4,800 dpi. ההתקנה הנוכחית מאפשרת לאוסף של 216 r הבודדesponses ליום. נתוני התמונה שנאספו הוא באיכות מספיק עבור יישומי ניתוח תמונה.
Introduction
אוסף של נתונים פנוטיפי ברזולוציה גבוהה הוא שימושי במחקרים שמטרתם להבין את יחסי הגומלין בין הגנטיקה והסביבה בתיווך 1,2 תפקוד האורגניזם. מחקרים מסוג זה הם גם גדולים מטבעם בקנה מידה, מה שהופך אותו בנוסף יש צורך כי שיטות ננקטות למדידת פנוטיפים בהקשר זה להיות גבוהות ב3,4 התפוקה. בקביעת שיטות למחקר Phenomics קנה מידה, פשרות בין התפוקה ורזולוציה נכנסות לשחק. שיטות שאינן גבוהים יותר בתפוקה גם נוטות להיות נמוך יותר ברזולוציה, ולכן קשה יותר לזהות השפעות קטנות של גנטיקה או סביבה 5. לחלופין, שיטות המודדות את הפנוטיפ רצוי בזהירות רבה יותר גם נוטות להיות נמוך יותר בתפוקה, ולכן קשה ליסקור השפעות גנטיות וסביבתיות רחב. בנוסף, שיטות ידניות לפנוטיפים כימות, כוללים בדיקה ויזואלית, יכולות להיות נתונות לשינויים בשל הבדלים לאדםception 6.
טכנולוגיות הדמיה יכולות לספק גשר שימושי בין התפוקה ורזולוציה בהשגת תצפיות פנוטיפי 7-9. באופן כללי, תמונה היא קלה יחסית כדי ללכוד, להקל את התפוקה, וכאשר נלקחו ברזולוציה מספיקה, ניתן לאתר בפנוטיפים עדינים 1,2,7. טכנולוגיות הדמיה נוטות להיות לשינוי כדי שיתאים למערכת או תהליך של עניין ובאופן כללי ניתן להרחבה 10-12. בגלל זה, טכנולוגיות הדמיה הן אידיאליים לפיתוח מחקרים בקנה מידה גדולה של תפקוד האורגניזם.
התגובה של השורש העיקרי לגירוי כוח משיכה היא תהליך פיסיולוגי מורכב המתרחש בתוך איבר מורפולוגית פשוט. התגובה כרוכה בהפעלה של מסלולי איתות שלהפיץ דרך איבר השורש וההתקדמות שלה נקבעה על ידי גורמים סביבתיים וגנטיים, כוללים גורמים גנטיים מושפעים מהסביבה 12-14 12,14,15 פלסטיות תגובה. השגת הבנה מפורטת של הדינמיקה של תגובה זו היא חשוב במציאת הדרכים לשפר את היכולת של שתילים להצלחה להפוך הוקם בתוך סביבת נתונה 16. בנוסף, הצורה של השורש עושה את זה נוח עבור יישומי עיבוד תמונה 8,12,17. יחדיו, תגובת gravitropic השורש היא מערכת אידיאלית לפיתוח טכנולוגיית הדמיה תפוקה גבוהה לצורך ביצוע מחקרים ברמת הגנומיקה של תפקוד האורגניזם.
בדו"ח זה, תפוקה גבוהה, שיטה ברזולוציה גבוהה ללכידת תמונה של תגובת gravitropic השורש באמצעות סורקים זולים, זמינים מסחרי גרר מוצגת. הסקירה שלפרוטוקול מוצג באיור 1. שתילים ניטעו על צלחות אגר הוצבו בסורקים שטוחים אנכי אוריינטציה מצוידת מחזיקי צלחת פלסטיק מותאם אישית. תמונות נאספו כל כמה דקות ב4,800 dpi ונשמרו בכונן מקומי או בשרת נתונים. מידע נוסף הקשורים לכל סדרת תמונה מאוחסן במסד נתונים ותמונות המאוחסנים מעובדים. הגישה משתמשת בתוכנת VueScan עבור לכידת תמונה. VueScan יכול לשמש כדי להפעיל על 2,100 סורקים שונים ב-Windows, Mac או מערכת הפעלה לינוקס (ראה לוח חומרים). רזולוציה של 4,800 dpi סורק הייתה בשימוש ביישום זה כדי להתאים את הרזולוציה שהושגה במחקרים קודמים באמצעות 1,8,12 מצלמות קבועות CCD. הגמישות של תוכנת VueScan יחד עם הממשק המשותף משמשת אותה לכל סורק שהוא פועל מאפשר למשתמשים לאמץ בקלות כמעט כל חומרת סורק ברזולוציה מספיקה לפרוטוקול שהוצג במאמר זה. תפוקה נוכחית מאפשרת לאיסוף216 תגובות בודדות ליום. הטכנולוגיה ניתנת להתאמה וניתן להרחבה לשימוש במוסדות, החל מבתי ספר גבוהים למחקר באוניברסיטאות. יתר על כן, התמונות שנאספו הן באיכות מספיק עבור יישומי ניתוח תמונה.
Protocol
1. תמונת רכישת פרוטוקול
שיקולים:
פרוטוקול זה מתבצע בצורה היעילה ביותר עם שני אנשים, למרות שזה אפשרי עבור אחד כדי לעבוד לבד. סידור עבודה הטוב ביותר במעבדה זו היה עבור אדם אחד כדי להכין צלחות לסריקה בזמן עבודות אחרת בהתקנה של סורק, ואז שניהם לעבוד יחד כדי למקם צלחות בסורקים ולהתחיל בתהליך הסריקה.
חשוב גם לציין כי הסורקים בפרויקט זה הם בכיוון אנכי עם מכסי הסורק נחו על גביו של הסורק. תמיכה מותאמת אישית נעשתה להחזיק כלים במצב אנכי והוצמדה אל פני השטח השטוח עם רצועות 3M פיקוד (איור 2). מכסה המסמך הנשלף שמגיע עם הסורק בשימוש בפרוטוקול זה (V700 Epson) היה מצופה בצד אחד עם לבד שחורים. מכסה המסמך הוצב נגד הגרר עם כבל באנג'י כדילהחזיק את הצלחות במקום ולספק ניגוד תמונה (איור 3).
כל סורק ברזולוציה מספקת יכול לשמש ללכידת תמונה. V700 שלמות Epson נבחר בגלל הפרופיל שלו מרובע (מה שהופך אותו קל למצב אנכי), ברזולוציה הגבוהה שלה, ואת האפשרויות נוספות כדי לסרוק משתי המיטה והמכסה ולהשתמש בערוץ אינפרא אדום. אפשרויות נוספות אלה לא היו בשימוש בפרוטוקול זה.
לאחר הצלחות הוסרו מחדר הצמיחה, זוהי החובה של הפרוטוקול להמשיך עד הסוף.
הכנת צלחת
מנות סטנדרטיות פטרי המכילות 10 מיליליטר של מדיום שקוף ו9 זרעים שניטעו לאורך מרכז כל צלחת היו בשימוש. ניתן למצוא נהלים לתיוג צלחת, הכנת תקשורת ושתילה ב: http://www.doane.edu/doane-phytomorph
- החל טריטון X-100 (חומרי ניקוי) למכסה עם Kimwipe - להיות נדיב.
(שים לב שטריטון X-100 עוזר למנוע ההצטברות של עיבוי על המכסה כצלחת נסרק. יישום נדיב (מספיק כדי ליצור סרט על פני השטח המכסה) יעזור לוודא כי המכסה נשאר שקופה לאורך כל ריצת הסורק .) - עטוף את הצלחת עם קלטת micropore כדי לאבטח את המכסה, וכדי לאפשר אוורור.
התקנת סורק ואוסף תמונות
פרוטוקול זה מבוסס על ההנחה שנמצא בשימוש סורק יותר מ 1, ומספק הוראות כדי להתחיל סורקים מרובים ממחשב אחד.
- ליצור תיקיות לאחסון תמונות מסורק. סורק כל אחד יחזיק שתי צלחות, כדי לשמור את זה בחשבון בעת יצירת תיקיות. אחדייתכן שיבחר להשתמש מטה כמרכיבים של שם הקובץ, כגון תעודות זהות ייחודיות לכל צלחת, גילאי שתיל, גודל זרע, ואת תעודות זהות של המניות נטועות. דוגמא לשם תיקייה המשמשת לאיסוף נתונים המכילים מטה אלה היא "1,652-2-SM-9-92-17-1653-2-LG-88-79-161".
- להגדיר טיימרים פורקן מיועד זמן איסוף (9 שעות היו בשימוש במעבדה זו). הקפד להגדיר תוספת זמן (כשעה) להכנה.
(שים לב שסורקים צריכים להיות מחוברים לטיימרים לשקע כדי להגדיר את זמן הרכישה. בעוד תוכנת VueScan מאפשרת למשתמש לאסוף תמונות שוב ושוב, זה לא מאפשר למשתמש לציין כמה תמונות כדי לאסוף או כמה זמן לאסוף תמונות עבור .) - הפעל את הסורק הראשון ולהמתין כ 10 שניות לסורק כדי לעבור החם קופצים הראשוני שלה.
- פתח את תכנית VueScan פעם אחת. גרסת VueScan 9.0.20 הייתה בשימוש בפרוטוקול זה (ראה לוח חומרים), ניתן להשתמש בו למרות שגרסות חדשות יותר עם modific הקטןation. ודא שלחצן 'עוד' כבר לחץ על הפנל התחתון של ממשק המשתמש כדי להציג את אפשרויות תפריט מתוארות להלן.
- הגדרה החוזרת האוטומטי: תיבה נפתחת לאף אחד תחת לשונית הקלט ותחת לשונית יבול אזור תצוגה מקדימה נקבע: למרבית (איור 4). לחץ על "תצוגה מקדימה".
- ליצור תיבת יבול שהיה ללכוד את האזור של עניין על ידי שימוש בעכבר כדי ללחוץ ולגרור על פני האזור של עניין בתמונת התצוגה המקדימה. הגדרות עשויות להשתנות לאזור של עניין בכרטיסיית היבול. ההגדרות טיפוסיות המשמשות לתיבת החיתוך היו: קיזוז-x .675; 1.924 ב, אם כי זה היה מותאם כדי ללכוד את אזור השתיל לכל סורק לקזז y. גודל תיבת החיתוך השתמש היה 7.246 ברחבים על ידי 1.1 בגובו (איור 5).
- כדי להזיז את תיבת החיתוך, החזק את מקש Shift לחוץ בזמן גרירה עם העכבר. ודא שתיבת החיתוך מכילה את כל השתילים לסריקה בתוספת כל מטה רצוי שעשויות להיות כלול בתווית (איור 5).
- תחת לשונית היבול, להגדיר את אזור התצוגה המקדימה: לתיבת יבול ו'התצוגה המקדימה 'לעיתונות.
- עבור לכרטיסיית Output ובחר את הקובץ הנכון עבור הסורק (איור 5).
- חזור על שלבים 1.7-1.12 על כל הסורקים למחשב אחד. בחר את האפשרות "כן" בתשובה לשאלה אם יש מקום לפתוח יותר ממופע אחד של VueScan.
- עבור הדרך כל כרטיסייה ולוודא שההגדרות נכונות. (שים לב שניתן לשנות את כל המפרט שיתאים לצרכימים של מעבדה בודדת כולל צבע תמונה, רזולוציה, וכו '. עם זאת, הגדרות שימוש בפרוטוקול זה יכולה להיות מיושמים באופן ישיר לרשות הפלסטיניתrticular סריקת חומרה של מעבדה ניתנה בשל הממשק המשותף של תוכנת VueScan. עיין ברשימה המצורפת המפרט כדי להציג את הפרמטרים המשמשים בפרויקט זה, תוך שימוש בגרסה VueScan 9.0.20).
- תחת לשונית הקלט לבחור רציף בחוזר האוטומטי: שדה, או לבחור מרווח זמן ארוך יותר בין תמונות אם תרצה בכך. מרווח הזמן הוא משך הזמן שהסורק עוצר לאחר שמירת התמונה האחרונה ומתחיל אוסף של התמונה הבאה. במצב רציף, ניתן להשיג 3-4 ברזולוציה דקות ב 4,800 dpi.
- חזור על שלבים 1.14-1.15 למשך שארית הסורקים מחוברים למחשב בודד.
- הנח צלחות ערוכים סורקים הנכונים עם שתילים בכיוון אופקי (לא gravistimulate).
- באופן זמני למקם שחור, הרגיש רקע נגד הצלחות כך שהם לא נופלים מתבנית פרספקס. חזור על פעולה עבור כל הסריקהners.
(הערה: בפרויקט זה, חתיכות שחורות של הלבד היו מצורפים למסמך מכסה מסופק עם הציוד כדי למנוע סנוור ולספק ניגוד נגד רקמת שורש צבע הרקע הספציפי בשימוש יהיה תלוי בצבע של להיות הדמיה רקמות.). - יש אדם אחד להפוך את הצלחות 90 ° (צלחות הופנו נגד כיוון השעון בפרוטוקול זה) ומייד להחליף את הרקע המורגש.
- האדם האחר צריך להיות עומד במחשב, כך שהם יכולים ללחוץ על הכפתור "הסריקה" באופן מיידי.
- אבטח את הרקע לסורק עם כבל באנג'י (איור 3). יש אדם אחד להחזיק את הרקע במקום בעוד עמדות אחר כבל באנג'י.
(הערה: מייד לאחר gravistimulation (סיבוב של הצלחות ב -90 °) ומיקום של הרקע המורגש, צריכה להיות לחוץ "סריקה"). - חזור על שלבים 1.17-1.21 לשארית של הסורקים בcomput אחתאה.
- חזור על שלבים 1.6-1.22 לסדרה הבאה של סורקים במידת צורך.
- אל תשאירו את הסורקים עד כמה תמונות כבר נאספו כדי לוודא שהם שומרים בצורה נכונה.
- הוא אידיאלי כדי לשמור על הסורקים באזור זה יהיה נקי מהפרעות בפעם הסריקה הייעודית. זה גם נבון לשקול את התנאים הסביבתיים באזור הסריקה כדי להבטיח את תגובות פנוטיפי אידיאלית.
- כאשר איסוף הנתונים הושלם, לחץ על הלחצן בטל הירוק על כל חלון VueScan שעולה בקנה אחד עם כל סורק.
- סגור את כל התוכניות במחשב.
- הפעל מחדש את המחשב ולכבות את כל הסורקים לפני תחילת סבב של אוסף תמונה אחר.
Representative Results
נציג תמונות
גישה זו מאפשרת ייצור מהיר של סדרת זמן ברזולוציה הגבוהה של צמיחת שתיל ארבידופסיס. תמונות הראשונות והאחרונה של ריצת סורק מוצגות ב7A דמויות ו7B. איורים 7C ו7D להראות תוצאות אופטימליות ממחצית מתמונת סורק מלאה. כמה בעיות שיכולות להשפיע על איכות תמונה מוצגות ב7A דמויות ו7B. נושאים אלה כוללים וריאציה בנביטה, וריאציה בשתיל מסלול צמיחה בתחילת הריצה, והצטברות של עיבוי במהלך סריקה. עיבוי במידה רבה יכול להיפתר על ידי הגדלת הכמות של טריטון X-100 מוחלת על החלק הפנימי של המכסה הצלחת. גורמים אחרים שיכולים לעכב אוסף תמונה מדויק הם תצורה שגויה של תיבת החיתוך ביחס לצלחות עמדת צלחת ומיצוב כזה שהם מוטים ביחס לתיבת החיתוך.
יישומי ניתוח תמונה: דחיסת תמונה
ברגע שרצף של תמונות סורק בזמן שהושג, הוא חייב להיות מאוחסן באופן מאובטח באופן נגיש ברשת כדי להקל על ניתוח תמונה. קבצי התמונה שמראה את טווח סורק פרט תופסים כמות משמעותית של שטח בכונן קשיח. קובץ TIFF יחיד שנאסף ב4,800 dpi הוא כ 220 MB וריצת סורק טיפוסית מייצרת 200 קבצי תמונה. לכן, על 44 GB של שטח כונן קשיח נדרש לריצה. כדי להפחית את עלויות אחסון ושידור ברשת הקשורים לניתוח תמונה רצוי להפחית את כמות השטח הדרושה לנתוני תמונה בחנות ובו בזמן למזער אובדן נתונים. ניתוח במורד הזרם יהיה כרוך בזיהוי של כל שתיל בקבצי תמונה הבאים הקשורים לניסוי ארוך. לכן, פילוח את שתילים בודדים מתמונת הסורק יכול להקל על ניתוח במורד הזרם. מכיוון שפילוח של השתיל משאר התמונת דואר יכולה גם להפחית את האחסון של פיקסלים רקע מיותרים באופן משמעותי, גישה זו מובילה גם להפחתה משמעותית של גודל הנתונים. יתר על כן, אם ניתוח במורד הזרם הוא ברקמת שורש ממוקד זה לא יכול להיות הכרחי כדי לשמור על מידע בצבע מאז פיקסלים השורש צרים יחסית במרחב הצבעים שלהם. פרוטוקול עיבוד תמונה במחשב וקוד כדי להקטין את גודל הנתונים על ידי שני פילוח את שתילים בודדים והמרת תמונות לאפור בקנה מידה פותח. גישת התוצאה היא הפחתת 60% בדרישות אחסון.
זרימת העבודה המשמשת כדי להשיג דחיסת הנתונים אלה מתוארת בשלבים הבאים:
- התחל עם סדרת זמן של קבצי תמונת סורק בתיקייה אחת.
- עבור כל תמונה, להמיר מ RGB לאפור בקנה מידה (איור 8 למעלה).
- לפצל את התמונה לצדדים ימני ושמאליים.
- לחלץ כל שתיל מהתמונה לקובץ משלה (איור 8).הדבר נעשה על ידי החלת סף להמיר פיקסלים לשחורים או לבן ולאחר מכן חישוב עוצמת פיקסל הכוללת של כל שורת תמונה. השורה עם העצמה הגבוהה ביותר מזוהה וכל פיקסל מסווג כ 'מפעל' או 'nonplant' מבוסס על האינטנסיביות של שכנותיה. המרכז של כל 'מפעל' בשורה זו נמצא ומנקודה שתיבת יבול של גודל קבוע מראש מצוירת (איור 8, למטה).
- צור תיקייה נפרדת לכל צד של התמונה (שמאל וימין) עם תיקיות משנה נפרדות לכל שתיל לאחסון של קבצי תמונת סדרת זמן בודד.
- ארכיון התיקיות שנוצרו לתוך קובץ ZIP דחוס.
קוד שמשיג את הפעולות הבאות פותח באמצעות פייתון שפת תכנות 20. האלגוריתם מאפשר הפחתה של כ -60% בגודל הנתונים ומצליח בזיהוי כל השתילים הבודדים ב90% ממתארים לעצמי הסורקקבצי דואר ניתחו עד כה. הקודים הם זמינים באופן חופשי להורדה תחת גרסת הרישיון הציבורי הכללי של גני 3 (ראו לוח חומרים).
איור 1. הליך הסריקה מתחיל בנטיעת זרעים (עד תשעה זרעי ארבידופסיס לכל צלחת) ומסתיים עם אחסון נתונים ועיבוד תמונה. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.
איור 2. Emplate T לבנייה של תמיכת צלחת פטרי. Ple xiglas נחתך כך שיתאים לרוחב משטח אופקי (במקרה זה 227 מ"מ) והאורך היה 128 מ"מ. שני עיגולים בקוטר 88 מ"מ נחתכו מהחתיכה כזו שהם חולקו באופן שווה לאורך הרוחב והאורך של התמיכה שנותרה. התמיכה הוצמדה למשטח האופקי עם רצועות 3M פיקוד. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.
איור 3. תצורת סורק לאחר שתילים כבר gravistimulated ואת מכסה מסמך המיקום. זה הוא התצורה של הסורק בצעד 1.21 של התקנת סורק ואוסף תמונות."_blank"> לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.
איור 4. צילום מסך של הגדרות שנבחרו לצעד 1.8 של התקנת סורק ואוסף תמונות. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.
איור 5. צילום מסך של תוכנת VueScan במהלך שלבי 1.9 1.10 של התקנת סורק ואוסף תמונות. התיבה האדומה מדגישה את גודל היבול תוך הקופסה הכחולה מדגישה הגדרות ספציפיות עבור r-X ומשמש על מנת ללכוד שתילים ומידע תווית לקזז y. האזור השטוח לסריקה מוצג כקו מקווקו באזור התצוגה המקדימה. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.
איור 6. בחירת תיקיית יעד לצעד 1.12 של התקנת סורק ואוסף תמונות. לחיצה על הכפתור @ ליד תיבת תיקיית ברירת מחדל של שיח (חץ אדום) מאפשרת למשתמש לבחור את תיקיית היעד המתאימה. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.
מחדש 7 "עבור: תוכן width =" 5in "עבור: src =" / files/ftp_upload/50878/50878fig7highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50878/50878fig7.jpg "width =" "/> 600px
איור 7 (AD). התמונות לעיל הן דוגמאות לאלה שנאספו בשיטה המתוארת במאמר זה. פנלי A, B ו C, D הם התמונות הראשונות ואחרונה, בהתאמה, מתקופת סריקה בודדת., B להראות מלא סריקת אזור, ואילו C, D הוא אזור חתוך של האזור שנסרק, מראה צלחת אחת. ניתן לראות כמה סתירות. לוח מראה וריאציה בנביטה ובמסלול של צמיחה. לוח ב '(אותו שתילים כתמונה; 9 שעות מאוחר יותר) מראה שצלחות יכולות להצטבר התעבות. C ו-D פנלים נחשבים לתוצאות טובות בשל o צמיחה האיתנהו שתילים ואיכות תמונה לאורך כל הריצה. לחצו כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.
איור 8. אלגוריתם דחיסת התמונה פיתח ממיר תמונת סורק לאפור בקנה מידה (למעלה). התמונה מחולקת לחצאים ימין ושמאל וגבולות תמונה הוסרו (לא מוצג). עמדותיהם של שתילים בודדים על כל מחצית מזוהות על ידי מציאת השורה עם סך עוצמת פיקסל הגדול ביותר. עמדות אלה המשמשים להגדרת אזור חיתוך חדש, יחול על כל השתילים בצלחת (התחתונה). לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.
Discussion
תצפית פנוטיפי מדויקת היא קריטית להבנת הגילויים של תפקוד גן בתוך האורגניזם. דרך אחת להשיג מידע פנוטיפי היא באמצעות הלכידה של נתוני תמונה ברזולוציה גבוהה. הפלטפורמה מבוססת הסורק פותחה אפשרה אוסף של תמונות רבות (200 תמונות / תקופה סריקה) ברזולוציה גבוהה (4,800 dpi) על פני מספר שעות. בנוסף, פלטפורמה זו מותאמת בקלות למגוון רחב של סביבות מעבדה וכיתה, בשל הגמישות של תוכנת VueScan לרוץ אלפי סורקים שונים באמצעות ממשק משותף 18.
השיטה המוצגת כאן ממלאת את חלל בלכידת תמונת תפוקה גבוהה המשתרע ממתקנים גדולים בקנה מידה phenotyping ומערכות אוטומטיות ישימות במעבדה אחת. פלטפורמות התפוקה גבוהה זמינות כרגע נוטות להשתמש בחומרת הדמיה מיוחדת, כוללים מצלמות רכובים על תומך רובוטית, כדי ללכוד תמונות ברזולוציה גבוהה של primarily מעל רקמות צמח אדמה (למשל מרכז לצמחים אינטגרטיבית טכנולוגיה וHTS Scanalyzer ידי LemnaTec) 20,21. מערכות הדמיה מיוחדות באמצעות קרני ה-X וטכנולוגיות MRI יש גם פותחו לתמונה הבאה רקמות קרקע עם רזולוציה מרשימה ככל שהם גדלים בסביבת האדמה (למשל המרכז לצמחים אינטגרטיבית טכנולוגיה) 11,22,23. התפתחות זו של טכנולוגיה מיוחדת יותר היא בדרך כלל במחיר של תפוקה, מה שהופך את לימודי פנוטיפי דינמיים יותר קשים. חשוב לציין, את הצרכים ועלות התשתית לפלטפורמות-high-end אלה להפוך אותם בעיקר ישים ליישום במעבדות קטנות יותר.
פלטפורמות יש גם פותחו אשר משתמשות בטכנולוגיה לכידת תמונה סטנדרטית יותר ומתאימים גם למדידה של תגובות דינמיות כגון תגובת השורש לגירוי כוח משיכה. לדוגמא, מצלמות CCD כבר בשימוש כדי ללכוד תגובות שתיל בודדות לאור ולכח הכבידה בגבוה1,8,12 רזולוציה מרחב ובזמן. מערכות אחרות פותחו מאפשרות מדידה של נטייה קצה שורש של שורשים מרובים מתמונה אחת (למשל RootTipMulti ידי שיתופי iPlant) 17,24. במקרה הראשון, התפוקה היא נמוכה יחסית בהתחשב בעובדה שרק אחד שתיל הוא הדמיה של כל מצלמה בכל פעם, ואילו במקרה השני התפוקה היא גבוהה יותר, אבל בדרך כלל במחיר של רזולוציה.
ההליך המתואר במאמר זה מציג פלטפורמה ללכידת תמונות ברזולוציה גבוהה בתפוקה גבוהה עם ציוד ותוכנה שזמינות וזולים יחסית. שימוש בהגדרה זו, ניתן לאסוף 1,080 תגובות שורש בודדים בכל שבוע במעבדה בודדת מצוידים בבנק של שישה סורקים. ב15 חודשים של איסוף ממוצע של 864 תגובות בודדות בשבוע, בסך הכל 41,625 שתילים נסרקו למחקר הגנום. אודות 15% מהאוספים הבודדים נכשלו עקב התקנת שגיאה, netwoכישלון RK או תקלה בציוד. עוד תגובות 22% נכשלו בשל חוסר נביטה או צמיחת שורש מספיקה כדי לעורר תגובת צמיחה. ערכת נתונים הסופית מורכבת מ27,475 תגובות בודדות שתיל לגירוי כוח משיכה מ163 קווים טהורים רקומביננטי בתוספת 99 קווי isogenic קרובים. הנתונים נאספו במעבדה אחת, מה שהופך את זה גישה מאוד תפוקה גבוהה. גם בהתחשב בכך שהציוד ששמש לרכישה הוא זול יחסית, הוא תפקד באופן מהימן יותר משנים אפילו עם שימוש כבד.
בעוד פרוטוקול זה היה מאוד שימושי עבור מטרות המחקר של קבוצה זו, כמה מגבלות עדיין קיימות. בשל התפוקה של כ 50 GB של נתוני תמונה לא דחוסים ליום, זה היה ברור שכמות גדולה של השטח הייתה נחוצה לתמונות בית, אלא אם כן ניתן לפתח תוכניות דחיסה יעילות. בעיית האחסון נפתרה באופן זמני על ידי רכישת כוננים קשיחים חיצוניים לכל מחשב. בנוסף, שתי 1התקני אחסון הקשורים לרשת 0 חפת נרכשו. מאוחר יותר, אלגוריתמי דחיסה פותחו, כפי שתואר לעיל, אשר יכולה לעזור להקטין את גודל הנתונים בשיעור של עד 60% (איור 8). חשוב לציין כי המהירות שבה ניתן לשמור נתונים להתקן אחסון הקשורים לרשת תלויה במהירות של החיבור לרשת. דחיסת סכימות יש גם מוגבלות בשל הרצון למנוע אובדן של נתוני תמונה.
מגבלות אחרות ספציפיות למערכת הדמיה מבוססת סורק גם נשקלות. לדוגמא, בגישה המבוססת על סורק שתילים נחשפו לאור בעוצמה גבוה בטווחים הלבנים ואפשרות אינפרא אדום בכל סריקה. זה סביר משפיע על צמיחת שתיל, אם כי עדיין ניתן להבחין שתילים לעבור תגובות חזקות לגירוי כוח משיכה (איור 7). שיפור בעתיד עלול להיות כרוך בתכנות סורקים כך שהנוריות אינפרא אדומות רק הן פעילים. אזור בdevelopmen הפעילt הוא יצירת אלגוריתמי ניתוח מתאים גם לרזולוציה וקצב ההעברה של נתוני התמונה הבאים. סט נתונים הגדול שנוצר באמצעות השיטה המבוססת על הסורק הזה היה אידיאלי לפיתוח של כלים חזקים לphenotyping תפוקה גבוהה של תמונות שתיל. אלגוריתם הדחיסה מועסק על תמונות אלה מוצגים באיור 7 תומך את הטענה שהם נוחים ליישומי ניתוח תמונה. בנוסף, התמונות שנוצרו יכולות להיות מנותחת על ידי האלגוריתם שפורסם בעבר, RootTrace 17,24, אם הם נאספים ברזולוציה נמוכה יותר (פחות מ 1,200 dpi), ושתילים בודדים מפולחים מהתמונה באמצעות אלגוריתם הדחיסה שתואר לעיל לפני הניתוח. נתוני צמיחת שורש אפשר להפיק מתמונות הופחתו ל 1,200 dpi בעת אפשר להפיק נתונים זווית טיפ מהתמונות מופחתות ל900 dpi (תצפית לא פורסם).
ההליך המתואר במאמר זה נכנס לתוך נישה משלו בעולם של רוהדמיה לא בכך שהוא תפוקה גבוהה ורזולוציה גבוהה ועדיין להיות סביר יחסית. יתרון נוסף של גישה זו הוא שהיא יכולה בקלות להיות מותאם אישית כדי להתאים לצרכימי ההדמיה של קבוצת מחקר מסוימת.
Disclosures
החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.
Acknowledgments
עבודה זו מומנה על ידי מענק מהקרן הלאומית למדע (מספר הפרסים IOS-1,031,416) ונערכה בשיתוף פעולה עם נתן מילר, לוגן ג'ונסון ואדגר ספולדינג של אוניברסיטת ויסקונסין ובריאן Bockelman, קרל Lundstedt ודיוויד סוונסון של אוניברסיטת הולנד מרכז המחשוב של נברסקה.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Epson Perfection V700 Photo Scanners | Epson | B11B178011 | - |
| Plexiglas Scanner Template | - | - | Custom made. See Figure 2. |
| Smart Strap Bungee Cords | SmartStraps | Wal-Mart 1079478 | |
| Brinks Digital Outdoor Timers | Brinks | Wal-Mart 42-1014-2 | |
| VueScan Software | Hamrick Software | http://www.hamrick.com | |
| Segmentation Software | Chris Wentworth, Doane College | https://sites.google.com/a/doane.edu/compphy-doane/projects/root-gravitropism/image-segmentation | |
| 3M Micropore Tape | Fisher Scientific | 19-061-655 | - |
| Holding racks | - | - | Custom made by gluing two cookie racks together. |
References
- Miller, N. D., Brooks, T. L. D., Assadi, A. H., Spalding, E. P. Detection of a gravitropism phenotype in glutamate receptor-like 3.3 mutants of Arabidopsis thaliana using machine vision and computation. Genetics. 186, 585-593 (2010).
- Clack, N. G. Automated Tracking of Whiskers in Videos of Head Fixed Rodents. PLoS Comp. Biol. 8, (2012).
- Lussier, Y. A., Liu, Y. Computational approaches to phenotyping: high-throughput phenomics. Proc. Am. Thoracic Soc. 4, 18-25 (2007).
- Houle, D. Colloquium Paper: Numbering the hairs on our heads: The shared challenge and promise of phenomics. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 1793-1799 (2009).
- Elwell, A. L., Gronwall, D. S., Miller, N. D., Spalding, E. P., L, T. D. B. Separating parental environment from seed size effects on next generation growth and development in Arabidopsis. Plant Cell Env. 34, 291-301 (2011).
- Silk, W. K. Quantitative Descriptions of Development. Ann. Rev. Plant Physiol. 35, 479-518 (1984).
- Cronin, C. J., Feng, Z., Schafer, W. R. Automated imaging of C. elegans behavior. Methods Mol. Biol. 351, 241-251 (2006).
- Miller, N. D., Parks, B. M., Spalding, E. P. Computer-vision analysis of seedling responses to light and gravity. Plant J. 52, 374-381 (2007).
- Iyer-Pascuzzi, A. S. Imaging and Analysis Platform for Automatic Phenotyping and Trait Ranking of Plant Root Systems. Plant Physiol. 152, 1148-1157 (2010).
- Houle, D., Mezey, J., Galpern, P., Carter, A. Automated measurement of Drosophila wings. BMC Evol. Biol. 3, 25 (2003).
- Jahnke, S. Combined MRI-PET dissects dynamic changes in plant structures and functions. Plant J. 59, 634-644 (2009).
- Durham Brooks, T. L., Miller, N. D., Spalding, E. P. Plasticity of Arabidopsis Root Gravitropism throughout a Multidimensional Condition Space Quantified by Automated Image Analysis. Plant Physiol. 152, 206-216 (2010).
- Perrin, R. M. Gravity signal transduction in primary roots. Ann. Botany. 96, 737-743 (2005).
- Strohm, A. K., Baldwin, K. L., Masson, P. H. Molecular mechanisms of root gravity sensing and signal transduction. Dev. Biol. 1, 276-285 (2012).
- Harrison, B. R., Masson, P. H. ARL2, ARG1 and PIN3 define a gravity signal transduction pathway in root statocytes. Plant J. 53, 380-392 (2007).
- Beeckman, T. Root Development. , Wiley-Blackwell. 157-174 Forthcoming.
- French, A., Ubeda-Tomás, S., Holman, T. J., Bennett, M. J., Pridmore, T. High-throughput quantification of root growth using a novel image-analysis tool. Plant Physiol. 150, 1784-1795 (2009).
- Granier, C. PHENOPSIS, an automated platform for reproducible phenotyping of plant responses to soil water deficit in Arabidopsis thaliana permitted the identification of an accession with low sensitivity to soil water deficit. New Phytol. , 169-623 (2006).
- Walter, A. Dynamics of seedling growth acclimation towards altered light conditions can be quantified via GROWSCREEN: a setup and procedure designed for rapid optical phenotyping of different plant species. New Phytol. 174, 447-455 (2007).
- Gregory, P. J. Non-invasive imaging of roots with high resolution X-ray micro-tomography. Plant Soil. , 255-351 (2003).
- Pierret, A., Kirby, M., Moran, C. Simultaneous X-ray imaging of plant root growth and water uptake in thin-slab systems. Plant Soil. 255, 361-373 (2003).
- Naeem, A., French, A. P., Wells, D. M., Pridmore, T. P. High-throughput feature counting and measurement of roots. Bioinformatics. 27, 1337-1338 (2011).
