Method Article

Artım çekirdeklerini örneklemek ve dijitalleştirmek için yeni bir iş akışı

DOI:

10.3791/67098

⸱

September 27th, 2024

 ,  , 
1Forest Dynamics/Dendrosciences, Swiss Federal Research Institute WSL

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Artımlı çekirdekleri ambalajından çıkarıp ahşap montajlara yapıştırmaya gerek kalmadan sahada sabitlemek için 3D baskılı montajları kullanmak için bir protokol sunuyoruz. Yeni GSC tutucu, çekirdeklerin yüzeylerini kesmek ve bunları doğrudan dijital görüntü yakalamaya aktarmak için bir çekirdek mikrotomuna yerleştirilmesine izin verir.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Burada, sahadaki artımlı karotların alınmasından, depolanmasından ve laboratuvara taşınmasından, sonraki dendroekolojik analizler için daha fazla analiz için ağaç halkalarının sayısallaştırılmasına kadar yeni bir iş akışı sunuyoruz. Prosedür, artımlı çekirdekler için yeni numune taşıyıcılarının kullanılmasını içerir. Bu yeni Gärtner Schneider Core (GSC) tutucular, üç boyutlu (3D) modelleme yazılımı kullanılarak tasarlandı ve son olarak bir 3D yazıcı ile basıldı. Bu montajları sahada en baştan kullanarak, çekirdekler doğrudan bir çekirdek mikrotomu ile kesilebilir ve yüzeyleri daha sonra yeni bir yüksek çözünürlüklü görüntü yakalama sistemi kullanılarak daha fazla yeniden düzenleme yapılmadan sayısallaştırılabilir. Bu nedenle doğrudan analiz için kullanılabilirler. Bu sistem, ağaç halkalarının çekirdeklerden ve disklerden sayısallaştırılmasına ve ayrıca iletilen ışığı kullanarak uzun mikro kesitlerden (40 cm'ye kadar) görüntü alınmasına olanak tanır. Bu özellik, bir çekirdek mikrotomu ile kesilen mikro kesitlerde herhangi bir bozulmanın başlangıcını tanımlamak için dendroekolojik ve jeomorfik uygulamalar için özel bir ilgi alanıdır.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ağaç halkalarının çapraz tarihleme tekniği uygulanarak tarihlendirilmesi ilkesi ilk kez 1881 yılında Avusturyalı orman bilimci Arthur Freiherr von Seckendorff-Gudent tarafından ortaya atılmıştır1. 20.yüzyılın ilk yarısında, bu teknik, arkeolojik alanların ve yaşayan ağaçların tarihlendirilmesinde yoğun bir şekilde uygulayan "Dendrokronolojinin Babası" Andrew Ellicott Douglass tarafından yeniden icat edildi2.

Günümüzde, dendrokronolojinin bir tür çevresel çerçevesi olarak hareket eden araştırma konusu olan dendroekoloji, ağaç halkalarının ve zaman içindeki ekolojik ve çevresel değişikliklerin neden olduğu doğal büyüme varyasyonlarının incelenmesi olarak tanımlanmaktadır3. Dendroekolojik araştırmalarda, çevreselkoşulların zaman içinde ağaç büyümesi üzerindeki etkisini daha iyi anlamak için bu verileri çevresel parametrelerle ilişkilendirmek için kararlı izotoplar, geç odun yoğunluğu veya tek halkalar içindeki hücre özellikleri gibi halka genişliği varyasyonlarından başka birçok özellik kullanılır. Ahşap anatomik çalışmaların dendroekolojik araştırmalara devam eden entegrasyonu sayesinde, dendroekoloji araştırmaları son on yılda gelişti ve geçmiş iklim koşullarının yeniden yapılandırılmasında her zamankinden daha fazla bir bel kemiği haline geldi 5,6,7,8.

Son on yılda, özellikle ahşap anatomisinde numune hazırlama ve analiz ile ilgili teknik gelişme güçlü olmasına rağmen 9,10,11,12,13,14, numune alma tekniklerinin basitleştirilmesine ilişkin neredeyse gerçek bir ilerleme kaydedilmemiştir15. Örneğin, akustik dalga teknolojisine16 rağmen, günümüze kadar ağaçlardan halkaların özelliklerini çıkarmak için güvenilir bir "tahribatsız" yöntem yoktur.

Sonuç olarak, ağaç halkası ile ilgili tüm çalışmalar hala ilgilenilen yerlerde alınan ağaçlardan veya çalılardan alınan ahşap örneklerine dayanmaktadır. Ağaçlara odaklanırken, standart prosedür gövdelerden15 artımlı çekirdekler almaktır.

Artımlı karotlar kullanarak çekirdek almak sıklıkla "tahribatsız" bir teknik olarak ifade edilir17. Diskleri gövdelerden almakla karşılaştırıldığında, bu doğrudur; Bununla birlikte, bu örnekleme tekniği, gövdede yaklaşık 1 cm çapında, çoğunlukla gövdenin3 özünün ötesine uzanan bir deliğe neden olur. Ağaç bu yarayı kendi başına kapatabilir, ancak bu süreç büyüme reaksiyonlarına neden olur, yaranın yakın çevresindeki ortak yapıyı değiştirir ve mantar hastalıkları nedeniyle deliğin etrafındaki mevcut ahşabın az ya da çok yoğun bir şekilde renk değiştirmesine neden olur18,19. Bu nedenle, "tahribatsız" yerine "minimal invaziv" olarak adlandırılmalıdır.

Artımlı karot alma tekniği, son zamanlarda mekanik matkapların kullanılabilmesi sayesinde gelişti ve özellikle ahşap anatomik analizler için daha kaliteli numuneler elde edilmesini sağladı15. Bu prosedür aynı zamanda manuel karot almaya kıyasla sahada çok zaman kazandırır. Değişmeden kalan, ağaçtan ekstraksiyondan etiketlemeye, nakliye için depolamaya ve çeşitli olası analiz teknikleri için laboratuvarda hazırlamaya kadar çekirdeklerin işlenmesi prosedürüydü.

Maçaların, nakliye sırasında kırılmalarını önlemek için plastik veya kağıttan yapılmış pipetler gibi sağlam kaplarda paketlenmesi gerekir. Çekirdeklerin etiketlenmesi, yumuşak kalemler kullanılarak doğrudan çekirdek üzerinde veya (daha sık) her bir pipetin dışında yapılır. Plastik kaplar kullanılırken, mantarların yayılmasını önlemek için çekirdekler kısa bir süre sonra çıkarılmalıdır. Bu nedenle, çekirdeklerin tekrar kaplardan çıkarılması gerekir. Çekirdekleri stabilize etmek ve kurumaya başladıklarında bükülmelerini önlemek için çekirdeklerin bir montaj parçasına sabitlenmesi gerekir. Bu aynı zamanda daha sonraki analizler için sonraki yüzey hazırlığına da yardımcı olur. Bunu yaparken, etiketlerin de ilgili bağlantılara aktarılması gerekir. Standart bir prosedür, çekirdekleri ahşap montajlara yapıştırmak veya oluklu mukavvaların kıvrımlarına bantla sabitlemektir. Bunları ahşap montajlara yapıştırmak en sık kullanılan tekniktir. Bu prosedür, çekirdekleri stabilize etmek, zımparalamak veya kesmek için mükemmel olsa da, potansiyel kimyasal, izotopik ve hatta ahşap anatomik analizleriyle ilgili çeşitli dezavantajları vardır. Diğer bir dezavantaj, gereken zamana rağmen, her bir çekirdek için etiketlerin yeni montajlara hataya açık bir şekilde aktarılmasıdır.

Dendrokronolojide, doğru tarihleme için bir temel olarak halka genişliği ölçümleri, tüm dendroekolojik çalışmaların bel kemiğidir20. Her ne kadar birçok laboratuvar hala ölçüm tabloları kullanan manuel ölçümlere güvense de, örneğin bağlı dürbünlerle Lintab21, çekirdek yüzeylerini dijitalleştirmek ve CooRecorder22 veya WinDENDRO23 gibi yazılımları kullanarak halka genişliğini ölçmek için düz yataklı tarayıcılar kullanma eğilimi vardır. Ne yazık ki, bu tarayıcılar, örneğin yaygın olarak kullanılan Epson Expression 10000XL, yapıları erken odun veya geç odun tracheidleri olarak açıkça göstermek için yeterli çözünürlüğe sahip değildir (Şekil 1). Bu nedenle, ortaya çıkan görüntüler, dürbün24,25 kullanarak orijinal çekirdeklere geri dönmeden doğru bir çapraz tarihleme prosedürü için kritik olan çok dar halkalar veya yoğunluk dalgalanmaları gibi zor yapıları tanımak için uygun değildir.

Ağaç halkası biliminde10 yüksek görüntü çözünürlüğü yeterli görüntü analizleri için vazgeçilmez bir ön koşul olduğundan, WSL'de (Skippy; https://www.wsl.ch/en/services-produkte/skippy/) çekirdek yüzeylerdeki ağaç halkalarını bir dijital kamera kullanarak sayısallaştırmak için yeni bir görüntü yakalama sistemi geliştirilmiştir ve bu da mevcut tüm düz yataklı tarayıcılardan daha yüksek bir çözünürlük sunan görüntülerle sonuçlanmıştır. Bu sistem, 2007 yılında geliştirilen ATRICS-system26 fikrine dayanıyordu. Son zamanlarda, Skippy ile karşılaştırılabilir basit ama verimli bir görüntü yakalama sistemi, kendi kendine montaj kiti27 olarak sunuldu.

Ağaç halkalarının sayısallaştırılması, yani yansıyan ışık görüntüsünün yakalanması, zaman açısından verimli, dijital tabanlı bir halka genişliği ölçümünü desteklemek için artımlı çekirdeklerin veya disklerin yüksek çözünürlüklü görüntülerini oluşturmada önemli bir adımdır. WSL'de geliştirilen sistem, iletilen ışığı kullanarak uzun mikro kesitlerden (40 cm'ye kadar) görüntü alınmasına da olanak sağlıyor. Bu ek özellik, örneğin, mikro kesitlerde reaksiyon ahşabının başlangıcını tanımlamak için dendrojeomorfik uygulamalar için ilgi çekicidir.

Çalışmada, sahada ve laboratuvarda karotları işleme sürecini kolaylaştırmak için bir protokol sunuyoruz. Sunulan yeni tekniğin tabanı yeniden kullanılabilir bir montajdır; 3D modelleme yazılımı kullanılarak tasarlanan ve bir 3D yazıcı ile basılan yeni GSC tutucu GärtnerSchneiderCore (GSC) tutucusu. GSC tutucu, sahada alınan karotların yeniden paketlenmeden veya yeniden etiketlenmeden doğrudan işlenmesine olanak tanır. Ayrıca, çekirdeklerin hazırlanan yüzeylerini sayısallaştırmak için verimli yeni bir sistem sunuyoruz. Bu protokol, sahadaki karotların alınmasından numune hazırlamaya, sonraki analizler için karot yüzeylerinin sayısallaştırılmasına ve nihayetinde bir arşivde saklanmasına kadar tüm prosedürü kapsar.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. GSC sahibinin oluşturulması

  1. Tutucunun 3B modelini, 3B yazıcıyla uyumlu bir dilimleyici programında açın. 3D yazıcı tarafından okunabilen bir yazdırma dosyası oluşturun (bu durumda, bir "*.gcode" dosyası).
    NOT: 3B model, herhangi bir 3B modelleme yazılımı kullanılarak tasarlanabilir.
  2. Yazdırma dosyasını bir hafıza kartı veya USB bellek kullanarak 3D yazıcıya aktarın ve yazdırma dosyasını 3D yazıcıda etkinleştirin.
  3. Tutucu yazdırılır yazdırılmaz, tutucu oda sıcaklığına (RT) soğuyana kadar bekleyin. Ardından, tutucunun yapıştığı plakayı yazıcıdan çıkarın ve form yüzeyden ayrılana kadar plakayı biraz bükün.
  4. Tutucudaki tüm fazla iplikleri veya ekleri çıkarın.
    NOT: Bir kerede yazdırılacak tutucu sayısı yazıcının boyutuna bağlıdır. Plaka boyutu 36 cm x 36 cm olan bir 3D yazıcıda, tek seferde 35 cm uzunluğunda yaklaşık 30 tutucu basılabilir. 30 tutucu yazdırmak için gereken süre cihaza bağlıdır. Ortalama olarak, bu yaklaşık 8 saat içinde yapılmalıdır (gece baskısı).

2. Sahada artım çekirdeklerinin çıkarılması, dengelenmesi ve taşınması

  1. Bir tork yükseltici ve bir artımlı çekirdek ile donatılmış bir akülü matkap alın, karot konumunu seçin ve çekirdeği gövdenin büyüyen eksenine dik olarak yerleştirin.
    NOT: Aynısı, akülü matkap olmadan artımlı karot kullanılarak manuel olarak da yapılabilir.
  2. Çekirdek, gövde çapının en az yarısına ulaşana kadar çekirdek almaya başlayın. Aspiratörü (karot ile aynı uzunluğa sahip olan) karotun yanında tutarak derinliği yukarıda açıklandığı gibi kontrol edin.
  3. Akülü matkap kullanılması durumunda, matkabı çıkarın, kolu karotun üzerine yerleştirin (artımlı karot makinesini manuel olarak kullanırken zaten durum böyledir), aspiratörü açık tarafı yukarı bakacak şekilde alın ve tam olarak karote yerleştirin.
  4. Çekirdeği gövdeden koparmak için artış çekirdeğini geriye doğru çevirin (bir tam tur). Çekirdek de dahil olmak üzere çıkarıcıyı çıkarın.
  5. Çekirdeği çıkarıcıdan çıkarın. Çekirdeği tutucuya yerleştirirken liflerin dik bir şekilde yönlendirilmesini sağlamak için çekirdeğin lif yönünü kontrol edin.
    NOT: Fiber yönü, çekirdeğin her iki ucunda ve çekirdeğin yan tarafında kontrol edilebilir. Bunun için çekirdeği ışığa karşı tutun ve bir tarafı parlayana kadar çevirin. Bunun nedeni, bu tarafta radyal hücre duvarlarının uzunlamasına kesilmesi ve ışığı çekirdeğin geri kalanından farklı şekilde yansıtmasıdır.
  6. Çekirdeği, fiber yönü dik olacak şekilde tutucunun üzerine yerleştirin. Çekirdek tutucuya kayana kadar tüm parmaklarınızla çekirdeğin üstüne bastırın.
  7. Yumuşak bir kurşun kalem kullanarak tutucunun yan tarafındaki çekirdeği etiketleyin ve cam üzerine bile yazı yazmayı etkinleştirin.
    NOT: Yazı daha sonra ortak bir kauçukla çıkarılabilir.
  8. Çekirdekli tutucuyu taşıma kutusuna yerleştirin ve kapağı kapatın.

3. Monte edilmiş çekirdeklerin laboratuvarda hazırlanması

  1. İSTEĞE BAĞLI: Potansiyel mikro kesitleme için monte edilmiş çekirdeklerin parafine gömülmesi.
    1. Vakum pompası bağlantısı için valf ile donatılmış kapaklı çelik bir kutuyu bir ocak gözüne yerleştirin, yaklaşık 2 cm'ye kadar parafin ile doldurun ve tamamen eriyene kadar bekleyin.
    2. Monte edilmiş çekirdekleri taşıma kutusundan çıkarın. Tutucuları çekirdekleri sıvı parafin içinde olduğu gibi yerleştirin ve kapağı kapatın.
    3. Vakum pompasını çalıştırın, kaba sabit, hafif bir vakum uygulayın ve yaklaşık 2 saat bekleyin. Tutucunun açık yapısı nedeniyle, parafin ek bariyerler olmadan çekirdeklere nüfuz edebilir.
    4. Vakum pompasını durdurun ve kapağı açın. Çekirdekleri olan tutucuları çıkarın, bir ızgaraya yerleştirin ve soğumaya bırakın.
    5. Gerekirse, fazla parafini tutucunun yanlarından çıkarın.
  2. Karot yüzeylerinin hazırlanması
    1. Monte edilmiş çekirdekleri taşıma kutusundan veya parafin banyosundan çıkarın. Tutucuyu, bir çekirdek mikrotomunun numune tutucusunda olduğu gibi çekirdekli olarak yerleştirin. Çekirdeği, halkaların geç odunu bıçağa bakacak şekilde yönlendirdiğinizden emin olun.
    2. Çekirdek tutucu tamamen sabitlenene kadar numune tutucunun vidalarını sıkın.
    3. Çekirdek bıçağa hafifçe temas edene kadar numune tutucuyu kaldırın. Üst kısmın ilk kısmını kesmek için bıçağı çekirdeğin tamamı boyunca çekin.
    4. Bıçağı çekirdeğin arkasına geri itin, numune tutucuyu birkaç mikron kaldırın ve en az 2-3 mm genişliğinde bir düz yüzey elde edilene kadar prosedürü tekrarlayın.
    5. Yüzey istendiği gibi kesilir kesilmez, çekirdek tutucuyu mikrotomun numune tutucusundan çıkarın.
      NOT: Karotların karot mikrotomu ile kesilmesi ve zımparalanmaması önerilir çünkü yüzey daha temiz ve düzdür ve hücreler tozla dolmaz.

4. Çekirdek yüzeylerin sayısallaştırılması

  1. WSL-Skippy sistemi burada sunulduğu gibi, çekirdek tutucuyu düz çekirdek yüzeyli bir görüntü yakalama sisteminin tablasına yerleştirin.
  2. Çekirdek tutucuyu masanın veya kameranın hareket yönüne göre hizaladığınızdan emin olun.
  3. Masayı, çekirdek tutucu kameranın altında olacak şekilde konumlandırın, böylece en dıştaki halka kamera objektifinin altında görüş merkezinde olacak şekilde ayarlayın.
  4. Çekirdeğin başlangıcının yanına bir ölçek yerleştirin ve kalibrasyon amacıyla bir görüntü alın.
    NOT: Bunun, art arda birçok çekirdeğin görüntülerini çekerken yalnızca bir kez yapılması gerekir.
  5. Yazılımda çekirdeğin uzunluğunu tanımlayın ve görüntü yakalama işlemini başlatın. Son görüntü çekildiğinde, masa başlangıç konumuna geri döner.
  6. Numuneyi masadan çıkarın, bir sonraki tutucuyu kameranın altına yerleştirin ve tüm damarların fotoğrafı çekilene kadar çekirdeğin uzunluğunu tanımlayarak daha önce açıklanan prosedürü tekrarlayın.
  7. Tek görüntüleri çekirdek yüzeyin son bir görüntüsünde birleştirmek için PTGui gibi (distorsiyon içermeyen) bir birleştirme yazılımı kullanın.

5. Çekirdeklerin saklanması

  1. Analiz edilen çekirdekleri tutucuya alın ve 3D yazıcı ile basılmış taşınabilir depolama rafına yerleştirin.
  2. Çekirdekleri dışarıdan tanımlamak için rafı etiketleyin.
  3. Rafı bir rafta veya mevcut başka bir arşivde saklayın.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

GSC sahibi
Çekirdek tutucular (varsayılan olarak) 35 cm uzunluğa kadar basılır, bu da neredeyse kullanılan 3D yazıcının maksimum baskı boyutuna karşılık gelir (Orijinal Prusa XL, yapı hacmi 36 cm × 36 cm × 36 cm). Daha uzun damarların alınması durumunda, tüm tutucuların her iki ucunda bulunan girintiler vasıtasıyla küçük bağlantı parçaları ile bağlanarak tutucu ek tutucularla uzatılabilir (Şekil 2A).

Saha çalışması yaparken, çekirdekleri doğrudan tutucuda saklamak için gereken süre, onları bir pipete veya başka bir ambalaj malzemesine koymakla karşılaştırılabilir. Çekirdeği tutucuya bastırmadan önce her bir çekirdeğin lif yönüne saygı gösterilmesi gerekmesine rağmen (Şekil 2), bu ek süre sadece birkaç saniyedir ve bir lens kullanılarak desteklenebilir. Deneyimlerimize göre, gereken ekstra süre (varsa) 10 çekirdek için yaklaşık 1 dakikaya kadar çıkar. Bu minimum ekstra süre aynı zamanda kırık çekirdekleri de ifade eder. Kırık çekirdekleri parça parça bir pipete almak yerine, bu parçalar birbiri ardına tutucuya yerleştirilir ve bastırılır.

Çekirdeklerin sahada ve laboratuvara güvenli bir şekilde taşınmasını garanti etmek için, çekirdekler de dahil olmak üzere tutucular için özel bir taşıma kutusu tasarladık ve bastık (Şekil 3). Tutucular, tutucuların her iki ucundaki girintilere tam olarak uyan küçük çıkıntılarla stabilize edildikleri kutuya basit bir şekilde yerleştirilebilir. Kutu daha sonra kutunun yan oluklarından içeri itilen bir kapakla kapatılabilir.

Yeni tutucunun gerçek avantajı laboratuvarda ortaya çıkar. Çekirdekleri samandan (veya diğer kaplardan) çıkarmak, ipucu ile ahşap bağlantılar hazırlamak, çekirdekleri yuvaya sabitlemek, etiketi yeni yuvaya aktarmak ve daha sonraki işlemler için yapıştırıcı kuruyana ve stabil hale gelene kadar en az birkaç saat beklemek yerine, tutucudaki çekirdekler doğrudan (i) düz bir yüzeyi kesmek için bir çekirdek mikrotomuna sabitlenebilir veya (ii) doğrudan bir zımparalama ile zımparalanabilir başka bir hazırlık işlemine gerek kalmadan makine. Etiketlerin herhangi bir yeni montaj parçasına aktarılması ihtiyacının ortadan kaldırılması, özellikle olası iletim hatalarını önler.

Tutucular herhangi bir çekirdek çapı için tasarlanabildiğinden, örneğin izotop veya diğer kimyasal analizler için alındıkları için "standart" 5 mm çekirdekler için mi yoksa 10 mm veya 12 mm çekirdekler için mi gerekli oldukları önemli değildir.

İzotop veya kimyasal analizlerle ilgili olarak, tutucunun avantajı, çekirdeklerin yapıştırıcı veya sabitleme ortamına ihtiyaç duymadan sabitlenmesidir. Bu nedenle, çekirdekler kontamine olmaz ve daha spesifik analizler için tutucudan kolayca çıkarılabilirler. Ayrıca, ahşap anatomik analizlerle ilgili olarak, maçaların tutucudan kolayca çıkarılabilmesi, mikro kesitlerin hazırlanması için maçalara doğrudan dokunulmasını sağlar.

İsteğe bağlı olarak tutucuya sabitlenmiş çekirdekleri gömme imkanı, ince hücre duvarlarına sahip hücreler kesim sırasında kırılma eğiliminde olduğundan, hassas yapıların stabilize edilmesine olanak tanır. Çekirdeği parafine gömerek stabilize etmek, çoğu durumda, sadece bir mısır nişastası çözeltisi eklemekten daha etkilidir.

Diğer bir avantaj, çekirdeklerin daha sonraki denetimler veya yeniden analizler için saklanması gerektiğinde de ortaya çıkar. Tutucular, özel olarak tasarlanmış raflara yerleştirilebilir (Şekil 4) ve ayrıca taşıma kutusundaki depolamayla karşılaştırılabilir bir 3D yazıcı kullanılarak basılabilir. Çekirdekli GSC tutucular, oldukları gibi rafa yerleştirilir ve daha sonra herhangi bir yerde saklanabilir. Rafların genişliği, yani tek bir rafta kaç çekirdeğin sabitlenebileceği, bir raf veya depolama odasındaki mevcut alana bağlıdır. Raf modelleri herhangi bir özel ihtiyaca göre uyarlanabilir ve buna göre basılabilir.

Çekirdek veya disk yüzeylerinin sayısallaştırılması
WSL'de (Şekil 5) geliştirilen görüntü yakalama sistemi, zaman açısından verimli, dijital tabanlı bir halka genişliği ölçümünü desteklemek için artımlı çekirdeklerin veya disklerin yüksek çözünürlüklü görüntülerini oluşturmak için ağaç halkalarının sayısallaştırılmasına (otomatik görüntü yakalama) olanak tanır. Sistem, numuneyi 61 MP'lik bir fotoğraf makinesinin (Sony Alpha 7R IV) objektifinin (Sony FE 90 mm f/2.8 Makro) altına 0,1 ila 1 cm arasında önceden tanımlanmış adımlarla hareket ettiren dişli bir çubuğa sabitlenmiş bir plakadan oluşur. Görüntüler, odaklanmış tek görüntüleri garanti etmek için kameranın otomatik odaklama sistemi kullanılarak çekilir. Kameranın çözünürlüğü, SilverFast çözünürlük hedefi (USAF 1951) kullanılarak test edilen her görüntünün 6500 dpi'lik gerçek çözünürlüğüne izin verir. Bu, belirli bir 4800 dpi çözünürlüğe sahip bir düz yataklı tarayıcının resmi çözünürlüğüne kıyasla biraz düşük gelebilir. Ancak, 4800 dpi çözünürlük kullanılarak bir Epson XL tarayıcı ile çekilen aynı hedefin görüntüleri test edildiğinde, elde edilen görüntüler yalnızca 1825 dpi'lik gerçek bir çözünürlük gösterdi (Şekil 6). Görüntülerin yüksek çözünürlüğü, tek hücrelerin net bir şekilde görülmesini ve bunun için görüntülerde yakalanan halka sınırlarının net bir şekilde tanımlanmasını sağlar (Şekil 7). Çekirdeklerin veya kullanılan disklerin yüzeyi iyi hazırlanmışsa, yapıyı tekrar kontrol etmek için orijinal numuneye geri dönmeye gerek yoktur. Tek görüntüleri diktikten sonra, ortaya çıkan çekirdek görüntüler, tercih edilen analiz yazılımı kullanılarak analiz edilebilir.

Görüntü yakalama sistemi, iletilen ışığı kullanarak 40 cm uzunluğa kadar mikro kesitlerden görüntü alınmasına da olanak tanır. Bu özellik, örneğin, tüm ağaç çekirdeklerinin mikro kesitlerindeki reaksiyon ahşabının başlangıcını veya diğer spesifik özellikleri tanımlamak için dendrojeomorfik uygulamalar için ilgi çekicidir (Şekil 8).

figure-results-1
Resim 1: Larix decidua Değirmeni'nin görüntüleri taranmıştır. Düz yataklı bir tarayıcı kullanılarak farklı çözünürlüklerde taranan ağaç halkaları. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-2
Şekil 2: GSC tutucusunun şematik görünümü. (A) Tutucunun her iki ucundaki açıklık, daha uzun çekirdekleri sabitlemek için iki tutucunun küçük bir kutupla bağlanmasına izin verir. Yeşil oklar, tutucu çekirdek mikrotomuna sabitlendiğinde basınç yönünü gösterir. Sol: Beyaz oklar, hava veya sıvı (gömme için) dolaşımına izin veren açıklıkları gösterir. Sağda: Çekirdeği bastırılmış GSC tutucusu. (B) Çekirdeğin lif yönünün dik olması gerekir. (C) Beyaz çizgi, çekirdeğin kesme yüzeyini gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-3
Şekil 3: Çekirdekler sahadayken GSC tutucuyu depolamak ve taşımak için taşıma kutusu. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-4
Şekil 4: GSC tutucularını bir arşivde son depolama için yerleştirmek için depolama çerçeveleri. Yerden tasarruf etmek için çerçeveler istiflenebilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-5
Şekil 5: WSL'de geliştirilen görüntü yakalama sistemi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-6
Şekil 6: Düz yataklı tarayıcı ile görüntü yakalama sistemi arasındaki görüntü çözünürlüğünün karşılaştırılması. (A) SilverFast çözünürlük hedefi (USAF 1951). (B) Belirtilen 4800 dpi (enterpolasyonlu) çözünürlüğe sahip bir düz yataklı tarayıcı ile taranan görüntü ve aşağıdaki ilgili bölüm büyütmeleri. (C) Görüntü yakalama sistemi ile çekilen görüntü ve aşağıdaki ilgili bölüm büyütmeleri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-7
Şekil 7: Bir Larix decidua Mill. artış çekirdeğinin kompozit görüntüsü (üstteki resim) ve aşağıdaki ilgili kesit büyütmeleri. Kompozitin tekil görüntüleri, görüntü yakalama sistemi ile çekildi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-8
Şekil 8: Tüm bir artımlı çekirdeğin (Larix decidua Mill.) mikro kesitinin kompozit görüntüsü ve ilgili kesit büyütmesi. Kompozitin tek görüntüleri, görüntü yakalama sistemi (iletilen ışık) ile çekildi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Odun anatomisinin dendroekolojik çalışmalara dahil edilmesi, bu çalışmaları geçmiş çevresel koşulların yeni ve derinlemesine analizleri için geniş çapta açmıştır 28,29,30. Bu yeni teknikler aynı zamanda analitik çabaları, yani ilgilenilen verileri oluşturmak için gereken laboratuvar süresini de yoğunlaştırdı. Ahşap anatomik tekniklerle ilgili laboratuvar çalışmalarını optimize etmek ve laboratuvarda ihtiyaç duyulan süreyi azaltmak için çok sayıda girişimde bulunulmuştur 9,12,13,15,30. Ancak, bu çalışmalar için alınan çekirdeklerin taşınması, hazırlanması ve depolanması ile ilgili yaygın prosedürü kolaylaştırmak için neredeyse hiçbir çaba gösterilmemiştir.

3D baskı bu konuda yeni olanaklar sunuyor9. Yeni, 3D baskılı çekirdek tutucu, tüm bu prosedürü basitleştirmeye yönelik ilk girişimdir, bu da onu daha az zaman alıcı ve bunun için daha verimli hale getirir.

Çekirdeğin dışında (ve yakında içinde) mantarların gelişmesini önlemek için plastik pipetlerde31,32 veya benzer kaplarda saklanan çekirdeklerin çıkarılması gerekirken, GSC tutuculara sabitlenen çekirdekler olduğu gibi kalabilir. Bu noktaya kadar, onları kağıt pipetlerdesaklamakla karşılaştırılabilir 33.

Avantaj, (i) damarların samandan (veya başka bir kaptan) çıkarılması, (ii) bunların ahşap montajlara yapıştırılması veya kablo desteği olarak başka nesnelere sabitlenmesi ve (iii) onlarca yıldır neredeyse bir standart olduğu için her bir çekirdek için kullanılan ilgili kodun aktarılmasına yönelik muhtemelen hataya açık sürecin tamamı gerçekleşirgerçekleşmez ortaya çıkar çıkmaz 34, gereksiz hale gelir.

GSC tutucunun açık yapısı, plastik bir kapta saklandığında olduğu gibi, çekirdeklerin mantar istilası riski olmadan saklanmasına izin verir. Yukarıda açıklandığı gibi, tutucu ayrıca yapıyı stabilize etmek için parafine gömülmesine de izin verir. Bununla birlikte, bu "basit" gömme, mikro çekirdekler35 için yapıldığı gibi, numuneyi bir Parafin bloğuna gömmek için kasetler kullanan yaygın gömme prosedürleriyle karşılaştırılamaz. Basit teknik, mikro bölümleri keserken mısır nişastası uygulamakla oldukça karşılaştırılabilir36. Hücreleri daha iyi stabilize edecek ve kesme işlemi sırasında kırılmalarını önleyecektir, ancak sadece mısır nişastası eklemekten daha fazla zaman alıcıdır. Bu gömme biçimi, tüm çekirdeği bir bloğa gömülmüş gibi stabilize etmeyecektir. Çekirdek kırılırsa, bölümler de kırılır. GSC tutucu çekirdek mikrotom37'ye uyduğundan, yüzeyin sonraki sayısallaştırma işlemi için hazırlanması sadece birkaç dakika sürer.

Ağaç halkalarının sayısallaştırılması süreci için, mavi yoğunluk ölçümleri38,39 için sıklıkla kullanılan düz yataklı tarayıcıların uygulanması, elde edilen görüntülerin oldukça düşük kalitesi nedeniyle halka yapısının daha ayrıntılı görünümleri açısından tatmin edici değildi. Bu görüntülerde kozalaklı ağaçların ortak (geniş) halkalarının sınırları görülebilse de, dar halkaların ve hatta yoğunluk dalgalanmalarının tanımlanması neredeyse imkansızdı.

Ağaç halkalarını x-ray CT40 gibi yüksek çözünürlükte dijitalleştirmek için büyüleyici yeni girişimler olsa da, yüksek çözünürlüklü dijital kameralar kullanmak, daha fazla ölçüm için yüksek kaliteli görüntüler üretmenin en verimli ve uygun maliyetli yoludur.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar, rekabet eden herhangi bir mali çıkarları olmadığını beyan ederler.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar, yeni tutucuyu yaratma fikrini desteklediği için Prof. Jussi Grießinger'e teşekkür etmek istiyor.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Çekirdek-mikrotomWSLhttps://www.wsl.ch/en/services-produkte/microtomes/Artımlı çekirdeklerden mikro bölümleri kesmek için mikrotom
Epson Expression 10000XL EPSONhttps://epson.com/Support/Scanners/Expression-Series/Epson-Expression-10000XL---Graphic-Arts/s/SPT_E10000XL-GAdüz yataklı tarayıcı
GSC tutucuWSLşirket içi3D baskılı montaj, taşıma, hazırlama, analiz ve depolama için çekirdekleri sabitlemek için
Skippy görüntü yakalama sistemiWSLhttps://www.wsl.ch/en/services-produkte/skippy/) WSL'de geliştirilen ve 61 MP kamera (Sony Alpha 7R IV ve Sony FE 90mm f/2.8 Makro lens) ile donatılmış görüntü yakalama sistemi

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Wimmer, R. Arthur Freiherr von Seckendorff-Gudent and the early history of tree-ring crossdating. Dendrochronologia. 19 (1), 153-158 (2001).
  2. McGraw, D. J. Andrew Ellicott Douglass and the giant sequoias in the founding of dendrochronology. Tree-Ring Res. 59 (1), 21-27 (2003).
  3. Schweingruber, F. H. Tree Rings and Environment: Dendroecology. , Paul Haupt Publishers. Bern. (1996).
  4. Amoroso, M. M., Daniels, L. D., Baker, P. J., Camarero, J. J. Dendroecology: Tree-Ring Analyses Applied to Ecological Studies (Vol.231). 231, Springer. (2017).
  5. Lopez-Saez, J., Corona, C., Von Arx, G., Fonti, P., Slamova, L., Stoffel, M. Tree-ring anatomy of Pinus cembra trees opens new avenues for climate reconstructions in the European Alps. Sci Total Environ. 855, 158605(2023).
  6. Björklund, J., et al. Fennoscandian tree-ring anatomy shows a warmer modern than medieval climate. Nature. 620 (7972), 97-103 (2023).
  7. Camarero, J. J., Colangelo, M., Rodriguez-Gonzalez, P. M. Tree growth, wood anatomy and carbon and oxygen isotopes responses to drought in Mediterranean riparian forests. Forest Ecol Manag. 529, 120710(2023).
  8. Huang, R., Xu, C., Grießinger, J., Feng, X., Zhu, H., Bräuning, A. Rising utilization of stable isotopes in tree rings for climate change and forest ecology. JForestry Res. 35, 13(2024).
  9. Schneider, L., Gärtner, H. Additive manufacturing for lab applications in environmental sciences: pushing the boundaries of rapid prototyping. Dendrochronologia. 76, 126015(2022).
  10. Björklund, J., et al. Scientific merits and analytical challenges of tree-ring densitometry. Rev Geophys. 57, 1224-1264 (2019).
  11. Katzenmaier, M., Garnot, V. S. F., Björklund, J., Schneider, L., Wegner, J. D., von Arx, G. Towards ROXAS AI: Deep learning for faster and more accurate conifer cell analysis. Dendrochronologia. 81, 126126(2023).
  12. Gärtner, H., Lucchinetti, S., Schweingruber, F. H. A new sledge microtome to combine wood anatomy and tree-ring ecology. IAWA J. 36 (4), 452-459 (2015).
  13. Gärtner, H., et al. A technical perspective in modern tree-ring research - how to overcome dendroecological and wood anatomical challenges. J Vis Exp. 97 (e52337), (2015).
  14. Gärtner, H., Banzer, L., Schneider, L., Schweingruber, F. H., Bast, A. Preparing micro sections of entire (dry) conifer increment cores for wood anatomical time-series analyses. Dendrochronologia. 34, 19-23 (2015).
  15. Gärtner, H., Schneider, L., Lucchinetti, S., Cherubini, P. Advanced workflow for taking high-quality increment cores - new techniques and devices. J Vis Exp. (193), e64747(2023).
  16. Wang, X. Acoustic measurements on trees and logs: a review and analysis. Wood Sci Technol. 47, 965-975 (2013).
  17. Steenkamp, C. J., Van Rooyen, M. W., Van Rooyen, N. A non-destructive sampling method for dendrochronology in hardwood species. South Afr For J. 186, 5-7 (1999).
  18. Toole, E. R., Gammage, J. L. Damage from increment borings in bottomland hardwoods. J For. 57, 909-911 (1959).
  19. Grissino-Mayer, H. D. A manual and tutorial for the proper use of an increment borer. Tree-Ring Res. 59 (2), 63-79 (2003).
  20. Griffin, D., et al. Gigapixel macro photography of tree rings. Tree-Ring Res. 77, 86-94 (2021).
  21. , LINTAB-Precision ring by ring. , Rinntech. At https://rinntech.info/products/lintab/ (2003).
  22. Cybis Dendrochronology. , Available from: http://www.cybis.se/forfun/dendro/ (2024).
  23. Regent Instruments. , Available from: https://regentinstruments.com (2024).
  24. De Micco, V., et al. Intra-annual density fluctuations in tree rings: How, when, where, and why. IAWA J. 37, 232-259 (2016).
  25. Edwards, J., et al. Intra-annual climate anomalies in northwestern North America following the 1783-1784 CE Laki eruption. J Geophys Res Atmos. 126, e2020JD033544(2020).
  26. Levanič, T. ATRICS-A new system for image acquisition in dendrochronology. Tree-Ring Res. 63 (2), 117-122 (2007).
  27. García-Hidalgo, M., et al. CaptuRING: A do-it-yourself tool for wood sample digitization. Methods Ecol Evol. 13 (6), 1185-1191 (2022).
  28. Rodriguez, D. R. O., et al. Exploring wood anatomy, density and chemistry profiles to understand the tree-ring formation in Amazonian tree species. Dendrochronologia. 71, 125915(2022).
  29. Gärtner, H., Farahat, E. Cambial activity of Moringa peregrina (Forssk.) Fiori in arid environments. Front Plant Sci. 12, 760002(2021).
  30. Gärtner, H., Lucchinetti, S., Schweingruber, F. H. New perspectives for wood anatomical analysis in dendrosciences: the GSL1-microtome. Dendrochronologia. 32, 47-51 (2014).
  31. Maeglin, R. R. Increment Cores: How to Collect, Handle, and Use Them (Vol. 25). , General Technical Report, US Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory Madison, WI. (1979).
  32. Agee, J. K., Huff, M. H. The Care and Feeding of Increment Borers. , National Park Service. Seattle, WA. (1986).
  33. Phipps, R. L., , Collecting, Preparing, Crossdating, and Measuring Tree Increment Cores (No. 85-4148). , US Department of the Interior, Geological Survey, USGS Publications Warehouse. (1985).
  34. Cole, D. M. Protection and Storing Increment Cores in Plastic Straws. 216, Department of Agriculture, Forest Service, Intermountain Forest and Range Experiment Station. Ogden, Utah. (1977).
  35. Rossi, S., Anfodillo, T., Menardi, R. Trephor: a new tool for sampling microcores from tree stems. IAWA J. 27 (1), 89-97 (2006).
  36. Schneider, L., Gärtner, H. The advantage of using a starch based non-Newtonian fluid to prepare micro sections. Dendrochronologia. 31, 175-178 (2013).
  37. Gärtner, H., Nievergelt, D. The core-microtome: A new tool for surface preparation on corse and time series analysis of varying cell parameters. Dendrochronologia. 28 (2), 85-92 (2010).
  38. McCarroll, D., Pettigrew, E., Luckman, A., Guibal, F., Edouard, J. L. Blue reflectance provides a surrogate for latewood density of high-latitude pine tree rings. Arct Antarct Alp Res. 34 (4), 450-453 (2002).
  39. Björklund, J., Seftigen, K., Kaczka, R. J., Rydval, M., Wilson, R. A standard definition and terminology for Blue Intensity from conifers. Dendrochronologia. 85, 126200(2024).
  40. Van den Bulcke, J., et al. Advanced X-ray CT scanning can boost tree ring research for earth system sciences. Ann Bot. 124 (5), 837-847 (2019).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Increment Core SamplingTree Ring DigitizationDendroecological Analysis3D Printed HoldersCore MicrotomeHigh Resolution ImagingDendrogeomorphologyImage Stitching SoftwareTree Core StorageTransmitted Light Imaging

Related Articles