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.
Dendroecological研究は、単一の木、さらには全体の森林生態系は、環境変化に対応し、最終的にそのような変更を再構築する方法を理解するために木の年輪に格納された情報を使用しています。これは、時間を遡って、成長の変化を分析し、(例えば)温度記録を、様々な植物固有のパラメータを相関させることによって行われる。これらの分析における木材解剖学的パラメータを統合することさえ、イントラ年次解像度まで、再構成を強化する。そこで我々は、サンプルの準備、および一般的な巨視的な分析のためだけでなく、その後の顕微鏡分析のための木製の試料を分析する方法についてのプロトコルを提示する。さらに我々は、時系列分析をサポートするために、共通の小規模および大規模な標本から生成されたデジタル画像を分析するための潜在的な解決策を紹介する。プロトコルは、現在使用できるように基本的な手順を示す。これ以外にも、既存の技術の改善、および新規トンの開発のための継続的な必要性があるechniques、記録し、過去と継続的な環境のプロセスを定量化する。伝統的な木製の解剖学的研究では、この研究分野の生態学的情報を含むように拡張される必要がある。これは、新しいパラメータを分析し、木本植物の解剖学上の特定の環境要因の短期および長期の影響を理解するための新しい方法論を開発していきデンドロ研究者をサポートする。
木、ならびに低木、ドワーフ低木、さらにハーブは、それらの環境の変化に関連するマニホールド応答パターンを示す。これらのパターンは、半ば、19世紀以来、植物学と植物生理学の対象となっている。当時、木本植物の研究は主に木や生態学的文脈1における年輪の構造と変動の記述分析に焦点を当てた。アンドリュー·エリコットダグラスは年輪研究2のクロスデート技術を発明したときは、この生態学的コンテキストは、多かれ少なかれ正確に考古学に木製の調査結果を日付に新しい能力によって抑制された。初めてのクロスのデートは、暦年に年輪の正確な年代測定を可能にし、今までその応用1のすべてのフィールドで年輪研究のバックボーンとしてみなされている。
並行して、19世紀末以来、木材解剖学は、関連する重要な研究規律へと進化自然と応用科学3の他の多くの分野にD。二つの主要なドメインが確立されている:木材技術、生理学、病理学、および生態3,5に関連する考古学4に木材を識別するための基礎となる体系的な木材解剖学、および適用される木材解剖を、。
年輪研究では、dendroecologyは、今日ではそのような地形プロセス(dendrogeomorphology)、気温と降水量の再構成(dendroclimatology)、水位の変化(dendrohydrology)あるいは氷河の変動(のような環境の研究に焦点を当てた年輪関連の研究を網羅するトピックとして定義されているdendroglaciology)6。この定義が示すように、年輪の分析は、(i)のリング幅7,8、木材密度9年間の変動を分析することにより、過去の気象条件として出会い、環境のプロセスを再構築の分野においてますます重要になって、または10同位体、またはしている(ii)のトン彼は地形のプロセス11の間隔を再発。これらのリング幅の変動について非常に詳細な研究とその同位体含量は、リングの解剖学的構造を研究するために、 すなわち 、より詳細にリングを分析する必要性を実証する。しかし、環境の変化に関連した年輪内の木材解剖学的特徴の詳細な研究は、12,13はまれである。これらの顕微鏡的特徴が14知られているが、彼 らはめったにdendroecological研究に顕微鏡レベルで適用されていない。さらに、正確な年代測定の目的のために不可欠な自然に成長した樹木、これらの成長反応の正確なタイミングは、めったに最近15文書化されていません。
地球温暖化16の影響に関しては、既存および新規技術の開発の改善は、特に気候への影響の研究11の観点から、記録し、必要とされる過去と継続的な環境のプロセスを定量化する。生態学的にベースの木材解剖17に伝統的な木材解剖学的研究を展開し、デンドロ科学者は新しいパラメータを分析し、木本植物18の解剖学上の特定の環境要因の短期的および長期的な効果を理解するための新しい方法論を開発することができます。特定のドライバ( 例えば 、機械的な力、気候変動)に関連する個々の環内の異なるセルパラメータの変動についての詳細な知識は、ツリーリング状に変動性を理解するための基本的な要件である。一般的なリング幅の測定値と比較して、木材解剖学的バリエーションを特定する労力と多くの時間を必要とする、より複雑かつ広大な製造技術を必要とする。試料を切断、染色、および埋め込 みの詳細な手順はマニホールドであり、常に研究19の目的に依存している。
数、サイズや競合製品のための針葉樹あるいは構造におけるリング幅の巨視的分析について広葉樹における血管のibutionは、試料の表面は、一般に微細な研磨紙や特殊研削盤20を用いて研磨される。この方法の欠点は、さらに半自動顕微鏡分析21を防ぎほこりで個々の細胞の充填である。試料表面を剃刀の刃または他の鋭利なナイフを用いて切断された場合、巨視的試料調製のための最良の結果が達成される。
小さなサンプルのための一方で、かみそりの刃は、最適なツールです。コアなど大きなサンプルはコアの全体範囲にわたって平面表面の切断を必要とする。サンディングとは対照的に、細胞は、連続的な画像解析のためのさらなる調製を可能に塵埃が充填されていない。さらに、開放セルの内腔、正しくカット細胞壁、及びサンプル全体の平面は、コアの全体の程度に高周波デンシ22の適用を可能にする。画像は、試料の表面(細胞を分析するために壁)濃インクを用いて染色することができ、オープンセル内腔は、その後、細胞壁および管腔面積19,23の間のコントラストを高めるために白いチョークを充填することができる。このかなり単純な手法は、血管サイズ測定のためのより大きな細胞構造の基本的な巨視的な評価が可能になります。
平面表面を切断するためのこれらの技術は、巨視的な分析のために十分である。詳細な木材解剖学的( すなわち、微視的)分析のために、透過光顕微鏡デンドロ科学で適用最も一般的な方法である。木部細胞は、細胞型決定、細胞分裂、細胞分化、およびプログラム細胞死24を包含する複雑な過程を経て分化する。これらのプロセスは、細胞の解剖学的特性を決定発生するタイミングや速度ので、これらのプロセスに影響を与える環境条件は、環構造内の解剖学的偏差を生成することができる。これらの分析のための重要な前提条件として、sは、マイクロセクションミクロトーム19を用いて調製する必要がある。セクショニングのための試料を調製する際に、仮道管または繊維方向の視認性が重要である。画像は19を分析するために、必要に応じて、この技術は、高品質のセクションを容易にしているためミクロトームをスライドさせる駆動手の使用はマイクロセクションをカットすることをお勧めします。特定の研究の特定の目的に依存して、マイクロセクションは、セルの長手方向に垂直または平行に切断される。これらのセクションは、次に、顕微鏡の下に撮影し、セルの寸法は、特殊なイメージは、ソフトウェアを解析使用して測定される。
最近まで、マイクロ切片を作製する能力は小さなサンプルサイズのみ(xは1センチメートル約1cm)に限られていた。これは、特定の年の障害のような単一のイベントを分析するために許容可能であるが、この技術は、環境の再構成に必要な拡張時系列分析を許可していません。この取り組みは、実現することができます、新しい効率的かつ経済的な準備手順及び分析技術の開発を通じて、D。近年では、スイスのスイス連邦研究所のWSLのツリーリングラボのメンバーは、このトピックに関する集中的な作業を開始している。結果として、新しいデバイスおよび分析技術は、環境研究テーマの広い範囲に木材解剖学的特徴を統合するという考えをサポートするために開発されてきた。
dendroecological研究への木材解剖学の成功と持続可能な統合の課題は離れてマニホールド分析的な問題から、主に技術的な側面に、である。これらの課題は、原則として、サンプリングから高品質マイクロセクションとそれらのその後の分析19を作成することへのアプローチの範囲。
一見したところ、コアあるいはディスクのサンプリングは長年にわたり知られている簡単な手順である。間違って行うことができ、サンプリングの小さな不正確さがその後の調製および分析の段階で重大な問題が発生する可能性が多くのものがあります。研究の目的は、リング幅の測定に限定されている場合は、そのような正確に垂直ステム軸に、または不完全尖らコアラを使用していないコアリングのような小さな不正確さが問題になりません。サンプルの顕微鏡分析を目指ししかし、誤ったサンプリング方向は、光学歪みが発生する可能性がありコア内のマイクロクラックで鈍いcorersの結果を用いながら、細胞壁、。これらのコアのマイクロセクションをカットしようとしたときにその結果、薄い部分はちょうどばらばらなく、効率的な製造は、もはや保証されている。同じことは、マイクロコアサンプリングについても同様です。パンチャーが幹木材に打ち込まれたとき鈍い先端は高圧になります。その結果形成層層は圧縮される。形成層細胞( 図5)は、結果的に圧迫され、分析することができない。
ディスクのサンプリングは確かに環境の変化にそれらを関連付けるために、成長の変化を分析する最良の戦略である。残念ながら、さらなる分析のためにサンプリングされることを意図し、すべての木からディスクを取るために、単純に不可能です。それにもかかわらず、特に熱帯年輪の場合は、茎ディスクの一定量の増分コアとの組み合わせで必要とされる。ディスクはリングの境界を定義するベースとして使用され、このためにboundarをサポートするために増分コア12,27,28の分析に基づいて定義新設。
カッティング対サンディングの長所と短所は、頻繁に1,11,21を議論している。それは上記の言及されたように、最適な手順は、常に研究課題に依存し、分析されるべきパラメータ(巨視的または微視的)。同位体または化学分析は、さらに作業工程に投影した場合には、試料全体にわたって細胞内腔に充填することができることをサンディングすることによって作成された摩耗粉が、慎重に真空引きまたは圧力空気により除去することが最も重要である。
すべての微視的にはさらなる分析のためのサンプルを調製する最も適切な方法を分析するためのマイクロセクションをカットするです。まず、セクションはその後、さらなる分析のための潜在的な汚染なしに保つことができ、サンプルを、遮断される。第二のセクションは、単一の格子パラメータを高分解能測定を可能にする。さらに、時間のかかる埋め込みを回避細胞を安定化するためにコーンスターチ液26を用いて、技術は、マイクロセクショニングの大きな利点である。
マイクロ切片の欠点は、まだ長い準備時間になり限られたサンプルサイズです。実際の時系列は、何世紀にも、あるいは数千年以上の時間に戻って分析するために、さらに、既存の切断装置17,19だけでなく、画像処理と解析18を開発する必要がある。この方向への最初のステップは、最初にコア( 図1)上に平面の表面を切断するために製造され、コア·ミクロトーム21の開発である。最近の試 験は、この装置( 図1)を使用して、全体のコアの微小部分を切断する能力を明らかにした。
高品質マイクロセクションでは、効果的な画像解析のための基本原理を提供する。顕微鏡下の画像を取ることは一般的な手順19であるが、それらの効果的な分析はまだ必要な作業ですさらに17を開発することができる。すべての既存の画像解析システムは半自動である、 すなわち、それらは多かれ少なかれ強く技術者によって制御される必要がある。多くの場合、画像を修正する必要がある、あるいは新しい画像は、画像内のセル壁の厚さを変更することなく、ソフトウェアによる構造のよりよい登録のコントラストを強調するために行われなければならない。
このようROXAS 18、WinCellまたはImageJの29固有のスクリプトのような特殊な画像解析ツールは、細胞数、細胞寸法、セル壁厚と年輪内のセルの位置などの基本的な解剖学的データを提供することができる。 dendroecologicalコンテキストに関連する多くの追加の解剖学的メトリックは、最大の導管のサイズ、導管のサイズ分布は、早材または導管の最初の行のサイズは、(光学)、木材密度、イントラ年間、これらの基本的な測定値から計算することができる導管のサイズと細胞壁のプロファイル厚み、及び導管(孤独、倍数など )のパターンをグループ化。
ソフトウェアROXAS 18を使用して、管路内腔( すなわち 、水の導電セル)と年輪の境界線の輪郭が自動的に認識され、視覚的に、元の画像の上にオーバーレイとして表示されます。導管用の検出アルゴリズムは、色、サイズ、形状情報、各導管のローカルコンテキスト上のリングの境界の検出アルゴリズムに基づいている。ツールボックスは、私たちは手動で直接、 すなわち 、オーバーレイ機能を編集、 削除、追加およびリングの境界線を変更し、導管が概説することにより、これらの結果を改善することができます。編集後、細胞壁の厚さ(針葉樹)を含む最終的なデータ出力には、自動的に生成され、スプレッドシートに保存された。完全に自動化されたシステムではなくても、比較的単純な構造を示した針葉樹のために、現在利用可能ではありませんが、これは今後の開発のための目標です。これは強く府を支持する時系列の木材解剖学的パラメータのLLの統合分析。
The authors have nothing to disclose.
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.
Increment corer | http://www.haglofinc.com/index.php?option=com_content&view=article &id=57&Itemid=88&lang=en |
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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/ |