X-ışını Microcomputed tomografi üzerinde dayalı Mısır Vaskular demetleri mikron çaplı fenotipleme teknikleri
Summary
Biz x-ışını soğurma kontrast Mısır doku sıradan microcomputed tomografi taramak için uygun geliştirmek için yeni bir yöntem sağlar. CT görüntüleri baz alınarak, biz görüntü işleme iş akışları için etkili bir şekilde Mısır Vaskular demetleri mikroskobik fenotipleri ayıklamak farklı Mısır malzeme bir dizi tanıtmak.
Abstract
Bu doğru bir şekilde yüksek üretilen iş görüntü analiz teknikleri dayalı Mısır malzemelerin anatomik yapıları ölçmek gereklidir. Burada, bir ‘örnek hazırlama protokol’ Mısır malzemeler (yani, kök, yaprak ve kök) tarama sıradan microcomputed tomografi (mikro-CT) uygun için sağlar. Mısır kök, yaprak ve kök yüksek çözünürlüklü CT görüntüleri baz alınarak, biz iki protokol Vaskular demetleri fenotipik analizi için tarif: (1) Mısır kök ve yaprak CT görüntü dayalı, geliştirdiğimiz otomatik olarak 31 ayıklamak için bir belirli görüntü analiz boru hattı ve damar demetleri 33 fenotipik özellikleri; (2) Mısır kök CT görüntü dizisi dayalı, biz üç boyutlu (3-D) ayrılmasını metaxylem gemiler için bir görüntü işleme düzeni kurmak ve iki boyutlu (2-B) çıkarılan ve gibi cilt, 3-b fenotipik özellikleri yüzey alanı metaxylem gemileri, vb Vaskular demetleri Mısır malzemelerin geleneksel manuel ölçüm ile karşılaştırıldığında, önerilen iletişim kuralları önemli ölçüde verimlilik ve mikron çaplı fenotipik miktar doğruluğunu artırır.
Introduction
Mısır damar sistemi aracılığıyla tüm bitki, kök ve yaprakları, su, mineral besin ve organik maddeler1teslim etmek için anahtar ulaşım yolları oluşturan kök çalışır. Damar sistemi başka bir önemli fonksiyonu için Mısır bitki mekanik destek sağlamaktır. Örneğin, morfoloji, numarası ve dağıtım kökleri ve sapları Vaskular demetleri mısır bitkileri2,3lojman direnç yakından ilgilidir. Şu anda, çalışmaları Vaskular demetleri anatomik yapısını esas olarak kök, yaprak veya kök, belirli bir kısmını anatomik yapıları görüntülemek için mikroskobik ve ultramicroscopic teknikleri kullanmak ve sonra ölçmek ve bu yapıları saymak el ile soruşturma tarafından ilgi. Hiç şüphesiz, büyük ölçekli microimages çeşitli mikroskobik yapıları Manuel ölçüm çok sıkıcı ve verimsiz bir iş ve ciddi bir şekilde kendi öznellik ve tutarsızlık4sayesinde microphenotypic özellikleri duyarlığını sınırlar, 5.
Mısır ikincil hiçbir büyüme vardır ve hücre içeriğini aslında birincil meristem suda oluşur. Herhangi bir ön Mısır dokuların taze örnekler doğrudan bir mikro-CT cihazı kullanarak taranabilir; Ancak, tarama sonuçları muhtemelen kötü ve kaba. Başlıca nedenleri şöyle özetlenebilir: (1) düşük zayıflama yoğunluğu atom numarası ve yüksek gürültü görüntüler; düşük kontrast sonuçlanan bitki dokuların (2) taze bitki malzeme Du6tarafından belirlendiği şekilde kurutmak ve normal tarama ortamı sırasında küçültmek yatkındır. Yukarıda belirtilen sorunları geliştirme ve Mısır, buğday, pirinç ve diğer monocotyledons için microphenotyping teknolojisi uygulama için ana kısıtlamaları haline gelmiştir. Burada, ‘örnek hazırlama protokol’ tanıtmak Mısır kök, yaprak ve kök örnekleri pretreat için. Bu iletişim kuralı dehidratasyon ve CT tarama sırasında bitki malzemelerin deformasyon önler; Böylece, bitki örnekleri nondeformation ile koruma zaman artırmak yararlıdır. Ayrıca, katı iyot bağlı boyama adımda da bitki malzeme zıtlığını arttırır; Böylece, mikro-CT görüntüleme kalitesi önemli gelişmeler sağlar Ayrıca, görüntü işleme yazılımı, VesselParser Mısır sapları ve yaprakları CT görüntülerini işlemek için adlandırılmış geliştirdik. Bu yazılım bir dizi görüntü işleme boru hatları farklı bitki dokuları 2B CT görüntülerde yüksek üretilen iş ve otomatik fenotipleme analiz gerçekleştirmek için entegre. Mısır kök ve yaprak tüm kesit Vaskular demetleri algılanır, çıkarılan ve otomatik bir görüntü işleme yöntem kullanarak tanımlanan. Sonuç olarak, Mısır kök 31 mikroskobik fenotipleri ve mikroskobik 33 fenotipleri Mısır yaprak elde etmek. Mısır kök CT resim serisi için 3-b fenotipik özellikleri metaxylem gemilerin elde etmek için bir görüntü işleme düzeni geliştirdik. Bu düzen içinde resim alma ve geleneksel yöntemlere göre imar verimliliğini üstündür.
Bu sonuçlar bu görüntü işleme sıradan röntgen mikro-CT görüntüleme özelliklerini Vaskular demetleri mikroskobik fenotipleme için etkili bir yöntem sağlar dikkate alınarak boru hatları olduğunu gösterir; Bu son derece CT teknikleri bitki biliminde uygulamaları genişler ve hücresel çözünürlük6,7bitki malzemelerin otomatik fenotipleme artırır.
Protocol
Representative Results
Discussion
CT teknolojisi biyomedikal ve malzeme bilimi alanlarında başarılı uygulama ile bu teknoloji yavaş yavaş Botanik ve bitki yaşam bilimleri araştırmaları umut verici bir teknik araç olarak teşvik tarım alanlarına kullanılmaya başlanan . 1990’ların sonunda CT teknolojisi ilk çalışma morfolojik yapıları ve bitki kök sistemlerinin geliştirilmesi için kullanıldı. Geçtiğimiz on yılda, sinkrotron HRCT bitki biyologlar için güçlü, zararsız bir araç haline geldi ve başarıyla doku yapıları üz…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma desteklenen Ulusal Doğa Bilim Vakfı Çin (No.31671577), bilim ve teknoloji yenilik özel inşaat finanse edilen Program Pekin Akademi, tarım ve ormancılık Sciences(KJCX20180423), araştırma Kalkınma Programı Çin (2016YFD0300605-01), Beijing doğal Bilim Vakfı (5174033), Beijing doktora sonrası Araştırma Vakfı (2016 ZZ-66) ve Tarım Akademisi Pekin ve ormancılık Bilimler Grant (KJCX20170404), () JNKYT201604).
Materials
| Skyscan 1172 X-ray computed tomography system | Bruker Corporation, Belgium | NA | For CT scanning |
| CO2 critical point drying system (Leica CPD300) | Leica Corporation, Germany | NA | For sample drying |
| Ethanol | Any | NA | For FAA fixation |
| Formaldehyde | Any | NA | For FAA fixation |
| Acetic acid | Any | NA | For FAA fixation |
| Surgical blade | Any | NA | For cutting the sample sgements |
| 3D printer | Makerbot replicator 2, MakerBot Industries, USA | NA | For printing the sample baskets of maize root, stem, and leaf |
| Centrifuge tube | Corning, USA | NA | Place the root, stem, or leaf materials |
| Solid iodine | Any | NA | For sample dyeing |
| SkyScan Nrecon software | SkyScan NRecon, Version: 1.6.9.4, Bruker Corporation, Belgium | NA | For image reconstruction |
| VesselParser software | VesselParser, Version: 3.0, National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture (NERCITA), Beijing, China | NA | Image analysis protocol for single CT image of maize stem or leaf |
| ScanIP | ScanIP, Version: 7.0; Simpleware, Exeter, UK | NA | 3D image processing software |
| Latex gloves | Any | NA | |
| Tweezers | Any | NA |
References
- Lucas, W. J., et al. The plant vascular system: evolution, development and functions. Journal of Integrative Plant Biology. 55, 294-388 (2013).
- Gou, L., et al. Effect of population density on stalk lodging resistant mechanism and agronomic characteristics of maize. Acta Agronomica Sinia. 33, 1688-1695 (2007).
- Hu, H., et al. QTL mapping of stalk bending strength in a recombinant inbred line maize population. Theoretical and Applied Genetics. 126, 2257-2266 (2013).
- Wilson, J. R., Mertens, D. R., Hatfield, R. D. Isolates of cell types from sorghum stems: Digestion, cell wall and anatomical characteristics. Journal of the Science of Food and Agriculture. 63, 407-417 (1993).
- Hatfield, R., Wilson, J., Mertens, D. Composition of cell walls isolated from cell types of grain sorghum stems. Journal of the Science of Food and Agriculture. 79, 891-899 (1999).
- Du, J., et al. Micron-scale phenotyping quantification and three-dimensional microstructure reconstruction of vascular bundles within maize stems based on micro-CT scanning. Functional Plant Biology. 44 (1), 10-22 (2016).
- Pan, X., et al. Reconstruction of Maize Roots and Quantitative Analysis of Metaxylem Vessels based on X-ray Micro-Computed Tomography. Canadian Journal of Plant Science. 98 (2), 457-466 (2018).
- McElrone, A. J., Choat, B., Parkinson, D. Y., MacDowell, A. A., Brodersen, C. R. Using high resolution computed tomography to visualize the three dimensional structure and function of plant vasculature. Journal of Visualized Experiments. (74), e50162 (2013).
- Cloetens, P., Mache, R., Schlenker, M., Lerbs-Mache, S. Quantitative phase tomography of Arabidopsis seeds reveals intercellular void network. Proceedings of the National Academy of Sciences of the Unites States of America. 103, 14626-14630 (2006).
- Dorca-Fornell, C., et al. Increased leaf mesophyll porosity following transient retinoblastoma-related protein silencing is revealed by microcomputed tomography imaging and leads to a system-level physiological response to the altered cell division pattern. Plant Journal. 76 (6), 914-929 (2013).
- Verboven, P., et al. Void space inside the developing seed of Brassica napus and the modelling of its function. New Phytologist. 199, 936-947 (2013).
- Brodersen, C. R., Roark, L. C., Pittermann, J. The physiological implications of primary xylem organization in two ferns. Plant, Cell & Environment. 35, 1898-1911 (2012).
- Choat, B., Brodersen, C. R., McElrone, A. J. Synchrotron X-ray microtomography of xylem embolism in Sequoia sempervirens saplings during cycles of drought and recovery. New Phytologist. 205, 1095-1105 (2015).
- Torres-Ruiz, J. M., et al. Direct x-ray microtomography observation confirms the induction of embolism upon xylem cutting under tension. Plant Physiology. 167, 40-43 (2015).
- Staedler, Y. M., Masson, D., Schönenberger, J. Plant tissues in 3D via. x-ray tomography: simple contrasting methods allow high resolution imaging. PLoS One. 8, 75295 (2013).
- Zhang, Y., Legay, S., Barrière, Y., Méchin, V., Legland, D. Color quantification of stained maize stem section describes lignin spatial distribution within the whole stem. Journal of the Science of Food and Agriculture. 61, 3186-3192 (2013).
- Legland, D., Devaux, M. F., Guillon, F. Statistical mapping of maize bundle intensity at the stem scale using spatial normalisation of replicated images. PLoS One. 9 (3), 90673 (2014).
- Heckwolf, S., Heckwolf, M., Kaeppler, S. M., de Leon, N., Spalding, E. P. Image analysis of anatomical traits in stem transections of maize and other grasses. Plant Methods. 11, 26 (2015).
- Wu, H., Jaeger, M., Wang, M., Li, B., Zhang, B. G. Three-dimensional distribution of vessels, passage cells and lateral roots along the root axis of winter wheat (Triticum aestivum). Annals of Botany. 107, 843-853 (2011).
- Chopin, J., Laga, H., Huang, C. Y., Heuer, S., Miklavcic, S. J. RootAnalyzer: A Cross-Section Image Analysis Tool for Automated Characterization of Root Cells and Tissues. PLoS One. 10, 0137655 (2015).
- Passot, S., et al. Characterization of pearl millet root architecture and anatomy reveals three types of lateral roots. Frontiers in Plant Science. 7, 829 (2016).
