Modern Ağaç halkası Araştırma A Teknik Perspektif - Dendroekolojik ve Ahşap Anatomik Zorluklar Üstesinden Nasıl
Summary
Here we present a protocol outlining how to sample wooden specimens for the overall assessment of their growth structures. Macro- and microscopic preparation and visualization techniques necessary to generate well-replicated and highly resolved wood anatomical and dendroecological dataset, are described are described.
Abstract
Dendroekolojik araştırma tek ağaçlar ve hatta tüm orman ekosistemleri çevresel değişikliklere cevap verdi ve nihayet bu değişiklikleri yeniden nasıl anlamak için ağaç halkaları depolanan bilgileri kullanır. Bu zamanda geri büyüme varyasyonları analiz ve (örneğin) sıcaklık kayıtlarına çeşitli bitki özgü parametreleri ilişkilendirilerek yapılır. Bu analizlerde ahşap anatomik parametreleri entegre bile içi yıllık çözünürlük aşağı, rekonstrüksiyon güçlendirecektir. Bu nedenle daha sonraki mikroskobik analizler için de, örnek hazırlamak ve ortak makroskopik analizler için numune analiz ahşap, ama nasıl bir protokol mevcut. Ayrıca biz zaman serisi analizleri desteklemek için ortak küçük ve büyük örneklerden elde edilen dijital görüntüler analiz için potansiyel bir çözüm tanıtmak. şu anda kullanılabilir gibi protokol temel adımları sunar. Bunun ötesinde, devam eden bir mevcut tekniklerin geliştirilmesi için bir ihtiyaç ve yeni t gelişimi bulunmuyortekniki, kayıt ve geçmiş ve devam eden çevre süreçleri ölçmek için. Geleneksel ahşap anatomik araştırmalar araştırma bu alanda ekolojik bilgileri içerecek şekilde genişletilmesi gerekir. Bu yeni parametreleri analiz ve odunsu bitkilerin anatomisi belirli çevresel faktörlerin kısa ve uzun vadeli etkilerini anlamak için yeni yöntemler geliştirmek niyetinde DENDRO-bilim adamlarını desteklemek istiyorum.
Introduction
Ağaçlar, yanı sıra çalılar, bodur çalılar, otlar ve hatta kendi ortamındaki değişikliklere ilişkin manifoldu tepki kalıplarını göstermektedir. Bu desenler orta-19 yüzyıldan beri botanik ve bitki fizyolojisi konu olmuştur. O, odunsu bitkiler üzerinde araştırmalar çoğunlukla ağaçları ve ekolojik bağlamda 1 yapı ve yıllık halkaların değişkenlik tanımlayıcı analizler üzerinde duruldu. Andrew Ellicott Douglass ağaç halkası araştırma 2 için çapraz tanışma tekniği icat ettiğinde, bu ekolojik bağlamda daha fazla veya daha az doğru arkeoloji ahşap bulguları bugüne kadar yeni yeteneği tarafından bastırıldı. İlk defa Çapraz-tanışma takvim yılı ağaç halkalarının doğru kalma etkin ve şimdiye kadar uygulanması 1 tüm alanlarında ağaç halkası araştırma omurgası olarak kabul edilir.
Buna paralel olarak, 19. yüzyılın sonundan itibaren, odun anatomisi önemli bir araştırma disiplini içine ilgilidir geliştiDoğal ve uygulamalı bilimler 3 diğer birçok alanlara d. İki ana etki oluşturulmuştur: ahşap teknolojisi, fizyoloji, patoloji, ve ekoloji 3,5 ilişkin arkeoloji 4 odun belirlenmesi için temel sistematik ahşap anatomisi, ve uygulanan ahşap anatomisi.
Ağaç-halkası araştırmada, dendroecology günümüzde bu tür jeomorfolojik süreçler (Dendrojeomorfoloji), sıcaklık ve yağış rekonstrüksiyon (dendroclimatology), su seviyesi değişimleri (dendrohydrology) ya da buzul dalgalanmalar (çevresel çalışmalar odaklanan ağaç halkası ile ilgili çalışmalar kapsayan bir konu olarak tanımlanır dendroglaciology) 6. Bu tanım gösterir gibi ağaç halkası analizleri gibi (i) halka genişliği 7,8, ahşap yoğunluğu 9 yıllık değişimleri analiz ederek geçmiş iklim koşulları gibi uzanan ve çevresel süreçleri yeniden alanında giderek daha önemli hale veya 10 izotoplar, ya da var (ii) tO jeomorfolojik süreçler 11 aralıklarını nüks. Halka genişliği varyasyonlar ve izotop içeriği hakkında Bunlar çok detaylı çalışmalar yüzük anatomik yapısını incelemek için, daha detaylı, yani halkalar analiz ihtiyacını göstermektedir. Ancak, çevresel değişikliklere ilişkin yıllık halkalar içinde ahşap anatomik özellikleri ayrıntılı çalışmalar 12,13 nadirdir. Bu mikroskobik özellikleri 14 bilinmesine rağmen, nadiren Dendroekolojik araştırma mikroskobik düzeyde uygulanmıştır. Ayrıca, tam olarak partner amaçları için esas teşkil doğal olarak yetişen ağaçlar, bu büyüme reaksiyonların doğru zamanlama nadiren son 15 belgelenmiştir.
Küresel ısınmanın etkileri ile ilgili 16, mevcut ve yeni tekniklerin geliştirilmesi iyileştirilmesi özellikle iklim etkisi araştırma 11 açısından, kayıt ve gerekli geçmiş ve devam eden çevre süreçleri ölçmek için.Ekolojik temelli ahşap anatomisi 17 geleneksel ahşap anatomik araştırmalar genişleterek, DENDRO-bilim yeni parametreleri analiz ve odunsu bitkilerin 18 anatomisine belirli çevresel faktörlerin kısa ve uzun vadeli etkilerini anlamak için yeni yöntemler geliştirmek. Belirli sürücülerin (örn, mekanik kuvvetler, iklim değişimleri) ilişkin bireysel halkaları içinde farklı hücre parametrelerinde değişimler hakkında detaylı bilgi ağaç halkası oluşumu değişkenliği anlamak için temel bir gerekliliktir. Ortak halka genişliği ölçümleri ile karşılaştırıldığında, ahşap anatomik varyasyonlar belirlenmesi emek ve çok zaman gerektiren daha karmaşık ve geniş hazırlama teknikleri gerektirir. Örnek kesme, boyama ve gömme detaylı prosedürler manifoldu ve her zaman çalışmanın 19 amacı bağlıdır.
Sayı, boyut veya Distr için kozalaklı hatta yapılarda halka genişliği makroskopik analizi içinsertağaçlarında gemilerin ibution, bir numunenin yüzeyi genellikle ince zımpara kağıdı veya özel taşlama makineleri 20 kullanılarak parlatılır. Bu işlemin bir dezavantajı, ayrıca yarı otomatik mikroskobik analizi 21 önleyen toz tek tek hücrelerin doldurma. Örnek yüzey jilet veya başka bir keskin bıçak kullanılarak kesilir zaman makroskobik numune hazırlama için en iyi sonuçlar elde edilir.
Küçük örnekler için olsa da, tıraş bıçakları mükemmel bir araçtır; çekirdek gibi büyük örnekler çekirdeklerin tüm ölçüde üzerinde uçak yüzeylerin kesme gerektirir. Zımparalama aksine, hücrelerin ardışık görüntü analizi için başka bir hazırlık sağlar toz ile doldurulmuş değildir. Ayrıca, açık hücre lümen, düzgün kesilmiş hücre duvarları ve tüm örneklemin düzlem yüzeyi çekirdeğinin tüm ölçüde yüksek frekanslı dansitometrisinin 22 uygulamasını sağlar. Görüntü, numunelerin yüzey (hücre analizleri içinduvarlar), koyu mürekkep kullanılarak boyanabilir ve açık hücre lümen sonra hücre duvarı ve lümen alanı 19,23 arasındaki kontrastı arttırmak için beyaz tebeşir ile doldurulabilir. Bu oldukça basit teknik damar boyutu ölçümleri için büyük hücre yapılarının temel makroskopik değerlendirme sağlar.
Düzlem yüzeylerin kesme Bu teknikler makroskopik analizler için yeterli. Ayrıntılı bir ahşap anatomik için (yani, mikroskobik) analizi, iletilen ışık mikroskobu DENDRO bilimlerinde uygulanan en yaygın yöntemdir. Xylem hücreleri, hücre tipi tayini, hücre bölünmesini, hücre farklılaşması kapsayan karmaşık süreçlerle ayırt, ve hücre ölümü 24 programlanmış. Bu işlemler, hücre anatomik özelliklerini belirlemek meydana hangi zamanlama ve oran bu yana, bu süreçleri etkileyen çevresel koşullar halka yapısında anatomik sapmaları oluşturabilir. Bu analiz için önemli bir önkoşul olaraks, mikro bölümleri microtome 19 ile hazırlıklı olmak gerekir. Kesit için örnekler hazırlarken, trakeid veya lif yönü görünürlüğü önemlidir. Mikrotomlar kayar tahrik el kullanımı görüntü için gereken 19 analizleri, bu teknik, yüksek kaliteli bölümleri kolaylaştırır, çünkü mikro bölümleri kesmek için tavsiye edilir. Belirli bir çalışma belirli amacına bağlı olarak, mikro bölümler hücrelerinin uzunlamasına ölçüde dik veya paralel olarak kesilir. Bu bölümler daha sonra mikroskop altında fotoğraflandı ve özel görüntü kullanılarak ölçülen hücre boyutları yazılım analiz eder.
Yakın zamana kadar, mikro kesitler hazırlamak için özelliği küçük bir örnek boyutları sadece (yaklaşık 1 cm x 1 cm) ile sınırlandırılmıştır. Bu, belirli yıl bozuklukları olarak tek olayları analiz için kabul edilebilir, ama bu teknik, çevresel rekonstrüksiyon için gerekli uzun bir zaman serisi analizi izin vermez. Bu çaba sadece fark edilebiliryeni, verimli ve ekonomik hazırlık prosedürleri ve analitik teknikler geliştirilmesi yoluyla d. Son yıllarda, İsviçre'de İsviçre Federal Araştırma Enstitüsü WSL de ağaç halkası laboratuar üyeleri bu konuda yoğun bir çalışma başladı. Sonuç olarak, yeni cihazlar ve analiz teknikleri, çevre araştırma konuları geniş bir yelpazede ahşap anatomik özellikleri entegre fikrini desteklemek için geliştirilmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dendroekolojik araştırma içine odun anatomisi başarılı ve sürdürülebilir bir entegrasyon zorlukları dışında manifoldu analitik sorunlar, çoğunlukla teknik yönlerine vardır. Ilke örnekleme yüksek kaliteli mikro bölümleri ve sonraki analiz 19 oluşturma yaklaşımları Bunlar zorluklar değişir.
İlk bakışta, çekirdek ya da disklerin örnekleme uzun yıllardır bilinmektedir basit bir işlemdir. Yanlış yapılabilir ve örnekleme küçük bir yanlışlık sonraki hazırlama ve analiz aşamalarında ciddi sorunlara neden olabilir birçok şey vardır. Çalışmanın amacı ölçümleri genişlik halka sınırlı ise bu tür kök eksenine ya da kusurlu bilenmiş karotiyer kullanarak dik tam değil karot gibi küçük yanlışlıklar bir sorun değildir. Mikroskobik analizi için hedef Ancak, yanlış bir örnekleme yönü optik bozulmalara neden olabilirHücre duvarları, çekirdek içindeki mikro çatlaklar künt corers sonuçların kullanımı sırasında. Bu çekirdek mikro bölümleri kesmek için çalışırken bir sonucu olarak, ince kesitler sadece darmadağın ve verimli bir hazırlık artık garanti edilir. Aynı mikro-çekirdek örnekleme için de geçerlidir. Puncher kök ahşap içine dövülmüş zaman bir kör uç yüksek basınç neden olacaktır. Sonuç kambiyal tabaka sıkıştırılır. kambiyal hücreleri (Şekil 5) dolayısıyla sıkılmış ve analiz edilemez.
Disk örnekleme gerçekten büyüme varyasyonları analiz çevresel değişimlere onları ilişkilendirmek için en iyi stratejidir. Ne yazık ki ileri analizler için numune amaçlanan tüm ağaçlardan diskleri almak imkansız değildir. Bununla birlikte, özellikle tropik dendrokronoloji durumunda, kök diskler belirli bir miktar artış çekirdeği ile kombinasyon halinde gereklidir. diskler halka sınırları tanımlamak için bir üs olarak kullanılan ve bunun için boundar desteklemek içinler artış çekirdeği 12,27,28 analiz dayalı tanımlı.
kesme karşı zımpara artılarını ve eksilerini sıkça 1,11,21 tartışılmıştır. Yukarıda belirtildiği gibi, en iyi prosedür her zaman araştırma sorusu bağlıdır ve parametreler (makroskopik ya da mikroskopik) analiz edilecek. Izotop veya kimyasal analizler bir başka çalışma aşamasında tahmin edilmektedir takdirde tüm numune üzerinde hücre lümen içine doldurmak olabilir zımpara ile oluşturulan aşındırıcı toz, dikkatle vakumlama veya basınçlı hava uzaklaştırılır büyük önem taşımaktadır.
Tüm mikroskobik daha analizler için numune hazırlama en uygun şekilde analizleri için mikro bölümleri Kesme olduğunu. Her şeyden önce, bölme bundan sonra olası daha sonraki analizler için bir kontaminasyon olmaksızın tutulabilir örnek kesilir. İkinci Bu bölümler tek hücre parametrelerinin yüksek çözünürlüklü ölçümler için izin verir. Ayrıca, zaman alıcı gömme kaçınarakhücreleri stabilize etmek için bir mısır nişastası çözüm 26 kullanılarak tekniği mikro kesit büyük bir avantajdır.
Mikro kesit bir dezavantajı hala uzun hazırlık süreleri sonuçlanan sınırlı örneklem boyutu. Gerçek zamanlı serisi yüzyıllar hatta binlerce yıl boyunca zaman içinde geri giderek analizleri için, daha da varolan kesme cihazları 17,19, ancak görüntü işleme ve analiz 18 geliştirilmesine ihtiyaç vardır. Bu yönde bir ilk adım ilk çekirdek düzlem yüzeyleri (Şekil 1) kesmek için üretilen çekirdek mikrotom 21 gelişmedir. Son testler bu cihaz (Şekil 1) kullanarak tüm çekirdeklerin mikro bölümleri kesmek yeteneği ortaya çıkardı.
Yüksek kaliteli mikro bölümler etkili bir görüntü analizi için temel ilke sağlamaktadır. Bir mikroskop altında görüntü alınması yaygın bir prosedür 19 olduğunu, ancak onların etkili analiz hala gereken bir görevdirayrıca 17 geliştirilecek. Varolan tüm görüntü analiz sistemleri daha az ya da yoğun teknisyen tarafından kontrol olması gerekir, yani yarı-otomatik bulunmaktadır. Birçok durumda, görüntüler düzeltilmesi gereken ya da yeni resimler resim içindeki hücre duvarı kalınlığı değiştirmeden yazılım tarafından yapıların daha iyi bir kayıt kontrastı artırmak için yapılması gerekir.
Böyle Roxas 18, WinCell veya ImageJ 29 için özel komut olarak özel görüntü analizi araçları gibi hücre sayısı, hücre boyutunda, hücre duvarı kalınlığı ve yıllık halka içinde hücre konumu gibi temel anatomik veri sağlamak mümkün. Bir Dendroekolojik bağlamda uygun olan birçok ek anatomik ölçümleri gibi büyük kanalların boyutu, kanalların boyutu dağılımı, earlywood veya boruların ilk sıranın boyu, (optik) ahşap yoğunluk, içi yıllık olarak bu temel ölçümler hesaplanabilir boru boyutu ve hücre duvarının profillerikalınlık ve kanallar (yalnız, adedi, vs.) gruplama şekilleri.
Yazılım Roxas 18 kullanarak, boru lümen (yani, su ileten, hücre) ve yıllık halka sınırları hatları otomatik olarak tanınır ve görsel orijinal görüntünün üzerine bindirmeleri olarak temsil edilmektedir. Kanallar için algılama algoritmaları renk, boyut ve şekil bilgisi, her kanalın yerel bağlamda halka sınırları için algılama algoritmaları dayanmaktadır. Bir araç bize elle doğrudan yani, bindirme özelliklerini düzenleme silme, ekleme ve halka sınırları değiştirerek ve kanal özetliyor bu sonuçları iyileştirmek için izin verir. Düzenlemeden sonra, hücre duvar kalınlığı (iğne yapraklılar) dahil nihai veri çıkış, otomatik olarak oluşturulur ve bir elektronik tabloya kaydedilir. Tam otomatik sistemleri şu anda bile nispeten basit bir yapı gösteren kozalaklı için, mevcut değil, fakat bu gelecekteki gelişmeler için bir hedeftir. Bu güçlü fu destek vereceğiniZaman serisi ahşap anatomik parametrelerin ll entegrasyonu analizleri.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge the effort of Sandro Lucchinetti (Schenkung Dapples, Zürich) for constructing the devices needed to guarantee progress in sample preparation.
Materials
| Increment corer | http://www.haglofinc.com/index.php?option=com_content&view=article &id=57&Itemid=88&lang=en |
||
| Core-Microtome | http://www.wsl.ch/dendro/products/microtomes/index_EN | ||
| Laboratory microtome | http://www.wsl.ch/dendro/products/microtomes/index_EN | ||
| Trephor micro corer | http://intra.tesaf.unipd.it/Sanvito/trephorEn.asp | ||
| Nawashin solution | Ten parts 1% chromic acid, four parts 4% formaldehyde and one part acetic acid | ||
| Picric-Anilin blue | One part saturated aniline blue and four parts Trinitrophenol dissolved in 95% ethanol | ||
| Safranin | Empirical Formula (Hill Notation) C20H19ClN4 | ||
| Astra-blue | Empirical Formula (Hill Notation) C47H52CuN14O6S3 | ||
| Ethanol | Linear Formula CH3CH2OH | ||
| Xylol (Xylene) | Linear Formula C6H4(CH3)2 | ||
| Canada Balsam | Embedding solution for microscopy | ||
| Roxas Software | http://www.wsl.ch/dienstleistungen/produkte/software/roxas/index_EN | ||
| ImageJ Software | http://imagej.nih.gov/ij/ | ||
| WinCell | http://imagej.nih.gov/ij/ |
References
- Schweingruber, F. H. . Tree Rings and Environment: Dendroecology. , (1996).
- Sheppard, P. R. Dendroclimatology: extracting climate from trees. Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change. 1, 343-352 (2010).
- Wagenführ, R. . Anatomie des Holzes: Strukturanalytik – Identifizierung – Nomenklatur – Mikrotechnologie. , (1999).
- Tennessen, D., Blanchette, R. A., Windes, T. C. Differentiating Aspen and Cottonwood in Prehistoric Wood from Chacoan Great House Ruins. Journal of Archaeological Science. 29, 521-527 (2002).
- Rowell, R. M. . Handbook of Wood Chemistry and Wood Composites. , (2005).
- Kaennel, M., Schweingruber, F. H. . Multilingual Glossary of Dendrochronology. Terms and definitions in English, German, French, Spanish, Italian, Portuguese and Russian. , (1995).
- Esper, J., Frank, D. C., Luterbacher, J., Kienast, F., et al. A changing world: challenges for landscape research. On selected issues and challenges in dendroclimatology. , 113-132 (2007).
- Esper, J., Frank, D. C., Wilson, R. J. S., Büntgen, U., Treydte, K. Uniform growth trends among central Asian low and high elevation juniper tree sites. Trees. 21 (2), 141-150 (2007).
- Frank, D. C., Nievergelt, D., Esper, J. Summer temperature variations in the European Alps, AD 755-2004. Journal of Climate. 19 (2), 5606-5623 (2006).
- Treydte, K., et al. Millennium-long precipitation record from tree-ring oxygen isotopes in northern Pakistan. Nature. 440, 1179-1182 (2006).
- Heinrich, I., Elias, S. A. Dendrogeomorphology. The Encyclopedia of Quaternary Science. 2, 91-103 (2013).
- Verheyden, A., De Ridder, F., Schmitz, N., Beeckman, H., Koedam, N. High-resolution time series of vessel density in Kenyan mangrove trees reveal a link with climate). New Phytologist. 167, 425-435 (2005).
- Abrantes, J., Campelo, F., García-González, I., Nabais, C. Environmental control of vessel traits in Quercus ilex under Mediterranean climate: relating xylem anatomy to function. Trees. 27, 655-662 (2013).
- Fengel, D., Wegener, G. W. o. o. d. . Wood: Chemistry, Ultrastructure, Reactions. , (2003).
- Heinrich, I., Gärtner, H., Monbaron, M. Tension wood formed in Fagus sylvatica and Alnus glutinosa after simulated mass movement events. IAWA-Journal. 28 (1), 39-48 (2007).
- Stocker, T. F., et al. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. , (2013).
- Lucchinetti, S., Schweingruber, F. H. New perspectives for wood anatomical analysis in Dendrosciences: The GSL1-microtome). Dendrochronologia. 32 (1), 47-51 (2014).
- Arx, G., Carrer, M. ROXAS – a new tool to build centuries-long tracheid-lumen chronologies in conifers. Dendrochronologia. 32 (3), 290-293 (2014).
- Schweingruber, F. H. . Microscopic Preparation Techniques for Plant Stem Analysis. , (2013).
- Hoadley, R. B. . Identifying wood: Accurate results with simple tools. , (1990).
- Nievergelt, D. The core-microtome. A new tool for surface preparation on cores and time series analysis of varying cell parameters. Dendrochronologia. 28 (2), 85-92 (2010).
- Von Schnakenburg, P., Bräuning, A., Helle, G., Elferts, D., Brumelis, G., Gärtner, H., Helle, G., Schleser, G. Detecting annual growth rhythms from high-frequency densitometry and carbon isotopes in tropical mountain rain forest trees in southern Ecuador. Tree Rings in Archaeology, Climatology and Ecology. 6, 96-99 (2008).
- Garcia Gonzalez, I., Fonti, P. Ensuring a representative sample of earlywood vessels for dendroecological studies: an example from two ring-porous species. Trees. 22 (2), 237-244 (2008).
- Fonti, P., et al. Studying global change through plastic responses of xylem anatomy in tree rings. New Phytologist. 185 (1), 42-53 (2010).
- Purvis, M. J., Collier, D. C., Walls, D. . Laboratory techniques in Botany. , (1966).
- Schneider, L., Gärtner, H. The advantage of using non-Newtonian fluids to prepare micro sections. Dendrochronologia. 31 (3), 175-178 (2013).
- De Ridder, M., Vanden Bulcke, J., Van Ackera, J., Beeckman, H. Tree-ring analysis of an African long-lived pioneer species as a tool for sustainable forest management. Forest Ecology and Management. 304, 417-426 (2013).
- De Ridder, M., et al. A tree-ring based comparison of Terminalia superba climate–growth relationships in West and Central. Trees. 27 (5), 1225-1238 (2013).
- Redband, W. S. . ImageJ. , (1997).
