Extraction Metrics pour les systèmes de racines en trois dimensions: Volume et surface Analyse de In-sol X-ray tomodensitométrie données

Roots, dans le cadre de la rhizosphère ^2-5, représentent une partie «invisible» de la biologie végétale depuis le sol, il est difficile aux racines d'image non-invasive ^{6, 7.} Cependant, l' étude de la croissance des racines et de l' interaction au sein de l'environnement du sol est essentielle à la compréhension la croissance des racines / plante et cycle des éléments nutritifs, qui à son tour affecte forestation, la sécurité alimentaire, et le climat. X-ray tomodensitométrie (XCT) est avérée être un outil précieux pour l' imagerie non invasive des échantillons de racines des plantes dans leur environnement local ^8. Afin de mesurer le développement des racines et des changements dimensionnels dans des conditions différentes, et être en mesure de comparer les données provenant de différents ensembles de données / spécimens, il faut extraire des informations quantitatives à partir des données de tomographie. Segmentation des données profondes de celle du sol environnant, qui est, l'isolement de l'image de la racine de tout le reste autour de lui (y compris, par exemple, une plante voisine) est une étape cruciale avant Accutaux analyse de la taille peut être fait. Cependant, une approche simple seuillage est souvent impossible pour les données fondamentales. Les défis associés aux racines des plantes d'imagerie dans le sol comprennent des variations dans les propriétés d'atténuation des rayons X du matériau de la racine, et le chevauchement des valeurs d'atténuation entre les racines et le sol causée par l'eau et des matières organiques. Ces questions ont été superbement adressée récemment par Mairhofer et al. dans leur outil de suivi visuel RooTrak ^{7, 9.} La prochaine étape après une segmentation réussie est la détermination précise du volume racine et de la surface. Le volume peut être estimée en comptant le nombre de voxels et en multipliant par la taille de cubed des voxels comme indiqué avant le ^7. Pour une détermination plus précise de la racine de surface et de volume, l'isosurface du système racinaire segmentée peut être représenté par un maillage de triangles, en utilisant un algorithme connu sous le nom confinants cubes ^10. L'open-source ImageJ ¹¹ peut être utilisé pour rapprocher thvolume racine e basé sur l'algorithme Marching Cubes. Au meilleur de notre connaissance, seul un nombre limité de logiciels open-source dédié au calcul des données de volume / surface tomographique de spécimens de racines dans la gamme de centimètres et plus est actuellement disponible ^12. Un logiciel open-source , nous avons examiné ¹³ met l' accent sur ​​la croissance des racines et vise à caractéristiques cellulaires permettant l' analyse quantitative du volume à une résolution unicellulaire. Certains logiciels open-source dédié aux systèmes de racines entières ¹⁴ est excellent pour les systèmes racinaires tubulaire de petit diamètre sur la base du rapprochement que leur forme est en fait tubulaire. Toutefois, certains travaux avec des images 2D et sont incapables de gérer 3D empile ^14. En outre, l'approximation de la forme tubulaire peut ne pas être valide lorsque le système racinaire présentant des surfaces rugueuses et les formes non uniformes, tels que ceux des arbres, sont étudiés. Une autre approche ¹⁵ utilise deux dimensions (2D) de rotation des séquences d'images de contournement innovante ee besoin d'un scanner CT coûteux. Il mesure, les dossiers, et affiche root longueurs du système. Le logiciel que nous avons testé à partir de ceux qui ne sont disponibles dans le commerce ^16-18; on ne semble pas être capable de gérer l' image 3D empilements ^16, le second est un outil de la surface foliaire et la mesure de la longueur de la racine ^17, tandis que la troisième est basée sur l' analyse des couleurs ^18. Sur la base de cette enquête, nous suggérons qu'une option costless qui se rapproche de la surface et le volume de la racine quelle que soit sa forme à partir des données de tomographie 3D est souhaitable.

Construire sur la libre disposition RooTrak et ImageJ, nous avons développé un programme, nommé imeshJ (voir le fichier de code supplémentaire) qui traite un maillage isosurface (fichier de stéréolithographie de surface) généré à partir des données de racine segmentés, et calcule la zone de volume et de surface de la racine par faire des calculs géométriques simples sur les données maille d'index de triangle. Nous rapportons ici une méthode qui combine l'utilisation de l'imagerie XCT,reconstruction et visualisation de données (logiciel CT Pro 3D et VG Studio), la segmentation de la racine de l'échantillon du sol dans les données 3D (open-source ImageJ logiciel et RooTrak), et l'extraction de l'information de surface et de volume à partir d'un maillage triangulaire (ImageJ et le code informatique imeshJ).