Extraindo Métricas para sistemas radiculares tridimensionais: Análise de volume e de superfície de In-solo X-ray tomografia computadorizada de dados

Roots, como parte da rizosfera ^2-5, representam uma parte "invisível" da biologia da planta, desde o solo torna difícil para as raízes de imagem não-invasiva ^{6, 7.} No entanto, estudar o crescimento das raízes e interação dentro do ambiente do solo é fundamental para a compreensão o crescimento das raízes / planta e ciclagem de nutrientes, o que por sua vez afetam arborização, segurança alimentar e climática. Raios-X a tomografia computadorizada (XCT) provou ser uma ferramenta valiosa para a imagiologia não invasivo de amostras de raízes de plantas em seus ambientes locais ^8. A fim de medir o desenvolvimento de raiz e alterações dimensionais sob diferentes condições, e ser capaz de comparar dados de diferentes conjuntos de dados / espécimes, é preciso extrair informação quantitativa a partir dos dados de tomografia. A segmentação dos dados de raiz a partir do que o solo circundante, isto é, o isolamento da imagem de raiz de todo o resto em torno dele (incluindo, por exemplo, uma planta vizinha) é um passo crítico antes Accuanálise de tamanho de taxa pode ser feito. No entanto, uma abordagem limite simples é muitas vezes inviável para os dados de raiz. Os desafios associados com as raízes das plantas de imagem no solo incluem variações nas propriedades de atenuação de raios-X do material de raiz, ea sobreposição de valores de atenuação entre raízes e do solo causada pela água e matéria orgânica. Estas questões foram soberbamente abordada recentemente pelo Mairhofer et al. em seu visual ferramenta de acompanhamento RooTrak ^{7, 9.} O próximo passo após uma segmentação de sucesso é a determinação precisa do volume de raiz e área de superfície. O volume pode ser estimado pela contagem do número de voxeis e multiplicando por tamanho em cubos dos voxels como mostrado anteriormente ^7. Para uma determinação mais precisa da área de superfície da raiz e do volume, a iso-superficie do sistema radicular segmentado pode ser representado por uma malha de triângulos, usando um algoritmo conhecido como marcha cubos ^10. O open-source ImageJ ¹¹ pode ser empregado para aproximar thvolume de raiz e com base no algoritmo Marching Cubes. Para o melhor de nosso conhecimento, apenas um número limitado de software de código aberto dedicado a calcular os dados de volume / superfície à base de tomografia para espécimes de raiz no intervalo centímetro e acima está disponível ^12. Um software de fonte aberta que olhou para ¹³ centra-se no crescimento radicular e destina-se a características celulares que permitem a análise do volume quantitativo em resolução de uma única célula. Alguns softwares de código aberto dedicado a sistemas de raiz toda a ¹⁴ é excelente para sistemas radiculares tubular de pequeno diâmetro com base na aproximação que a sua forma é realmente tubular. No entanto, alguns trabalhos com imagens em 2D e são incapazes de lidar com 3D pilhas ^14. Além disso, a forma aproximação tubular pode não ser válida quando os sistemas radiculares com superfícies ásperas e formas não uniformes, tais como os de árvores, são estudadas. Outra abordagem ¹⁵ usa duas dimensões (2D) sequências de imagens de rotação inovadora contornando the precisa de um scanner CT caro. Ele mede, registros e exibe raiz comprimentos sistema. O software testámos daqueles só está disponível comercialmente ^16-18; um não parece ser capaz de lidar com imagem 3D pilhas ^16, o segundo é uma ferramenta de área foliar e medição do comprimento radicular ^17, enquanto o terceiro é baseado na análise de cor ^18. Com base nesse levantamento, sugerimos que uma opção sem custo que se aproxima da superfície eo volume da raiz, independentemente da sua forma a partir de dados de tomografia 3D é desejável.

Com base na RooTrak livremente disponível e ImageJ, temos desenvolvido um programa, chamado imeshJ (ver arquivo de código Suplementar), que processa uma malha isosurface (arquivo de estereolitografia superfície) gerado a partir de dados de raiz segmentados, e calcula a área de volume e superfície da raiz, fazendo cálculos geométricos simples sobre os dados de malha de índice triângulo. Aqui nós relatamos um método que combina o uso de imagens XCT,reconstrução dos dados e visualização (software CT Pro 3D e VG Studio), a segmentação da raiz da amostra do solo nos dados 3D (ImageJ software open-source e RooTrak), e extração das informações de superfície e volume a partir de uma malha triangular (ImageJ eo imeshJ código de computador).