Üç boyutlu Kök Sistemleri Metrikleri ayıklanıyor: Hacim ve Yüzey Analizi In-toprak X-ışını Bilgisayarlı Tomografi Data
Summary
in-toprak kökenli X-ışını bilgisayarlı tomografi verileri görsel ve kantitatif kök yapısı bilgi edinme için bir metodoloji sunulmuştur.
Abstract
Bitki kökleri iklim değişikliği ve ürün yönetimi için önemli sonuçları olan kritik rizosferde meydana bitki toprak mikrobu etkileşimlerinde rol gibi işlemleri görüntülemektedir. kendi doğal ortamında kökleri üzerinde nicel boyutu bilgileri kök gelişimini ve bitkileri içeren çevresel süreçleri incelemek için paha biçilmezdir. X-ışını bilgisayarlı tomografi (XCT) in situ kök tarama ve analiz için etkili bir araç olduğu kanıtlanmıştır. Biz üç boyutlu (3D) tomografi verilerinden olursa olsun şekli kök alan ve hacim yaklaşan bir maliyetsiz ve verimli bir araç geliştirmeyi amaçladık. Bir Prairie dropseed kök yapısı (Sporobolus heterolepis) örnek XCT kullanılarak görüntülendi. Kök yeniden inşa edildi ve birincil kök yapısı lisanslı ve açık kaynak yazılım bir arada kullanarak veri elde edildi. Bir isosurface çokgen ağ daha sonra analiz kolaylığı için oluşturuldu. Biz t geliştirdiko örgü kök hacmi ve yüzey alanı hesaplamak için MATLAB 1 oluşturulan uygulama imeshJ, standalone. ImeshJ çıkışları yüzey (mm 2) alanı ve (mm 3) hacim vardır. Kantitatif kökü analiz görüntüleme araçlarından benzersiz bir kombinasyonunu kullanan proses, tarif edilmektedir. ispat Bir XBT kombinasyonu ve açık kaynak kodlu yazılım noninvaziv görüntü bitki kök örnekleri, bölüm kök verileri ve 3D veri kantitatif bilgileri ayıklamak için güçlü bir kombinasyon olmak. 3B verileri işleme Bu metodoloji segmentasyonu ile ortaya çıkan benzer X-ışını zayıflama bileşenleri ve zorluklar arasında bağlantı olduğu diğer malzeme / numune sistemlerine uygulanabilir olmalıdır.
Introduction
Toprak non-invaziv görüntü kökleri 6, 7 zorlaştırmaktadır çünkü kökleri, rizosfer 2-5 parçası olarak, bitki biyolojisi bir "görünmez" bir bölümünü oluşturmaktadır. Ancak, toprak ortamında kök gelişimini ve etkileşim okuyan anlayış önemlidir root / bitki büyüme ve sırayla ağaçlandırma, gıda güvenliği ve iklim etkiler besin döngüsü. X-ışını bilgisayarlı tomografi (XCT) yerel çevrelerine 8 bitki kök örneklerinin noninvaziv görüntüleme için değerli bir araç olduğunu kanıtlamıştır. Farklı koşullarda kök gelişimi ve boyutsal değişiklikleri ölçmek ve farklı veri setleri / örneklerden verileri karşılaştırmak mümkün olabilmesi için, bir tomografi verilerinden nicel bilgileri ayıklamak gerekiyor. çevredeki toprağın bu kök verilerinin segmentasyon, yani etrafında her şey kök görüntünün izolasyonu (dahil olmak üzere, örneğin, bir komşu bitki) Accu önce kritik bir adımdıroran boyutu analizi yapılabilir. Ancak, basit bir eşikleme yaklaşım kök veriler için genellikle olanaksız olduğunu. Toprakta görüntüleme bitki kökleri ile ilişkili zorluklar kök malzemenin X-ışını zayıflama özellikleri varyasyonları, su ve organik madde nedeniyle kök ve toprak arasında zayıflama değerleri üst üste bulunmaktadır. Bu konular süper Mairhofer ve arkadaşları tarafından son zamanlarda ele alınmıştır. görsel izleme aracı RooTrak 7, 9. başarılı bir segmentasyon sonraki adım kök hacmi ve yüzey alanı doğru belirlenmesidir. Hacim Voksellerden sayısını sayma ve 7'den önce gösterildiği gibi vokseller 'boyutu küpü ile çarpımı sonucu tahmin edilebilir. Kök yüzey alanı ve hacmi, daha doğru bir şekilde belirlenmesi için, bölümlere kök sisteminin isosurface Bando küpleri 10 olarak da bilinen bir algoritma kullanarak, üçgen bir kafes ile temsil edilebilir. Açık kaynak ImageJ 11. tahmin edilmesi için kullanılabilirBando Küpleri algoritmasına dayanan e kök hacmi. Bizim bildiğimiz kadarıyla, açık kaynak yazılım sadece sınırlı sayıda santimetre aralığında kök örnekleri için tomografi bazlı hacim / yüzey verilerinin hesaplanması adanmış ve yukarıda şu anda 12 mevcuttur. Biz 13 baktı Bir açık kaynak yazılım kök büyümesi üzerine odaklanır ve tek hücreli çözünürlükte kantitatif hacim analizi sağlayan hücresel özellikleri hedefleniyor. Bütün kök sistemleri 14 adanmış bazı açık kaynak yazılım şekilleri aslında boru şeklinde olduğu yaklaştırılması dayalı küçük çaplı boru şeklindeki kök sistemleri için mükemmeldir. Ancak, 2D görüntüleri ile bazı iş ve 3D 14 yığınlarının idare edemiyoruz. Bu tür ağaçların gibi pürüzlü yüzeylerde ve düzgün olmayan şekiller, kök sistemleri, incelenmiştir Dahası, boru şeklinde şekil yaklaşım geçerli olmayabilir. Başka bir yaklaşım 15 yenilikçi th engellemeyi iki boyutlu (2D) dönme görüntü dizileri kullanıre pahalı CT tarayıcı için gereklidir. Bu, ölçer kayıtları ve görüntüler sistem uzunlukları kök. Biz piyasada 16-18 kullanılabilen tek olanlardan test ettik yazılımı; üçte biri renk analizi 18 dayalı iken, ikinci, bir yaprak alanı ve kök uzunluğu ölçüm aracı 17 olduğunu, 3D görüntü idare edebilmek için 16 yığınlarının görünmüyor. Bu ankete dayanarak, biz 3D tomografi verilerinden olursa olsun şekli kök alan ve hacim yaklaşan bir maliyet gerektirmeyen bir seçenek arzu olduğunu göstermektedir.
Serbestçe kullanılabilir RooTrak ve ImageJ Bina, biz Parçalara kök verilerinden oluşturulan bir isosurface örgü (yüzey stereolitografi dosyası) işler hangi (İlave Kod Dosyası bakınız) imeshJ adlı bir programı geliştirdi ve ile kök hacmi ve yüzey alanı hesaplar var örgü üçgen endeksi verilerine basit geometrik hesaplamalar yapıyor. Burada, XBT görüntüleme kullanımını birleştiren bir yöntem raporuüçgen ağdan veri yeniden yapılanma ve görselleştirme (yazılım BT Pro 3D ve VG Studio), 3D veri (açık kaynak yazılım ImageJ ve RooTrak) topraktan numune kök segmentasyon ve yüzey ve hacim bilgilerinin çıkarma (ImageJ ve bilgisayar kodu imeshJ).
Protocol
Representative Results
Discussion
X-ışını bilgisayarlı tomografi ve ispat çeşitli açık kaynak program bir arada noninvaziv görüntü bitki kök örnekleri, bölüm kök verileri ve 3D veri kantitatif bilgiler (yüzey alanı ve hacmi) ayıklamak için güçlü bir kombinasyon olmak. özellikleri görselleştirmek ve ölçmek için yeteneğimizi her zaman tarama çözünürlüğü yanı sıra tarafından RooTrak yazılım sınırlamaları ile sınırlıdır. Bununla birlikte, tarama çözünürlüğü bu çalışmada numunenin özelliklerinin ç…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was performed in the Environmental Molecular Sciences Laboratory, a national scientific user facility sponsored by the Department of Energy’s Office of Biological and Environmental Research and located at Pacific Northwest National Laboratory.
Materials
| X-Tek/Metris XTH 320/225 kV | Nikon Metrology | n/a | X-ray tomography scanner |
| Inspect X | Nikon Metrology | n/a | Instrument control software |
| CT Pro 3D | Nikon Metrology | n/a | Reconstruction software, version XT 2.2 |
| VG Studio MAX | Visual Graphics GmbH | n/a | Visualization software for 3D volumes, version 2.1.5 |
| ImageJ | Open-source | n/a | Image processing and analysis software, version 1.6 |
| RooTrak | Open-source | n/a | Root segmentation software, version 0.3.1-b1 beta |
| imeshJ | EMSL | n/a | MATLAB script developed by the authors |
| Prairie dropseed grass sample | n/a | n/a | Sample obtained from ground in residential area |
Referenzen
- McKenzie, B. M. The Rhizosphere: An Ecological Perspective. Eur. J. Soil Sci. 59 (2), 416-417 (2008).
- Farrar, J., Hawes, M., Jones, D., Lindow, S. How roots control the flux of carbon to the rhizosphere. Ecology. 84 (4), 827-837 (2003).
- Gregory, P. J. Roots rhizosphere and soil: the route to a better understanding of soil science?. Eur. J. Soil Sci. 57 (1), 2-12 (2006).
- Philippot, L., Raaijmakers, J. M., Lemanceau, P., van der Putten, W. H. Going back to the roots: the microbial ecology of the rhizosphere. Nat. Rev. Microbiol. 11 (11), 789-799 (2013).
- Gregory, P. J., Hutchison, D. J., Read, D. B., Jenneson, P. M., Gilboy, W. B., Morton, E. J. Non-invasive imaging of roots with high resolution X-ray micro-tomography. Plant and Soil. 255 (1), 351-359 (2003).
- Mairhofer, S., et al. RooTrak: Automated Recovery of Three-Dimensional Plant Root Architecture in Soil from X-Ray Microcomputed Tomography Images Using Visual Tracking. Plant Physiol. 158 (2), 561-569 (2012).
- Anderson, S. H., Hopmans, J. W. . Soil-Water-Root Processes: Advances in Tomography and Imaging. , (2013).
- Mairhofer, S., et al. Recovering complete plant root system architectures from soil via X-ray mu-Computed Tomography. Plant Methods. 9, 8 (2013).
- Lorensen, W. E., Cline, H. E. Marching cubes: a high resolution 3D surface construction algorithm. Comput. Graph. 21 (4), 163-169 (1987).
- Lobet, G., Draye, X., Perilleux, C. An online database for plant image analysis software tools. Plant Methods. 9 (38), (2013).
- Schmidt, T., et al. The iRoCS Toolbox – 3D analysis of the plant root apical meristem at cellular resolution. Plant J. 77 (5), 806-814 (2014).
- Galkovskyi, T., et al. GiA Roots: software for the high throughput analysis of plant root system architecture. BMC Plant Biol. 12, 116 (2012).
- Clark, R., et al. 3-Dimensional Root Phenotyping with a Novel Imaging and Software Platform. Plant Physiol. 156, 455-465 (2011).
- . RootSnap! Available from: https://www.cid-inc.com (2013)
- Arsenault, J. L., Pouleur, S., Messier, C., Guay, R. WinRHIZO™ a root-measuring system with a unique overlap correction method. HortSci. 30, 906-906 (1995).
