La extracción de las métricas para los sistemas de raíces de tres dimensiones: volumen y de superficie Análisis de In-suelo de rayos X de tomografía computarizada de datos

Roots, como parte de la rizosfera ^2-5, representan una parte "invisible" de la biología vegetal desde el suelo hace que sea difícil a las raíces de la imagen no invasiva ^{6, 7.} Sin embargo, el estudio de crecimiento de las raíces y la interacción dentro del ambiente del suelo es crítico para la comprensión root / crecimiento de las plantas y el ciclo de nutrientes, que a su vez afecta a la forestación, la seguridad alimentaria, y el clima. De rayos X de tomografía computarizada (XCT) ha demostrado ser una herramienta valiosa para la formación de imágenes no invasiva de muestras de raíces de plantas en su entorno local ^8. Con el fin de medir el desarrollo de las raíces y los cambios dimensionales en diferentes condiciones, y poder comparar datos de diferentes conjuntos de datos / muestras, hay que extraer información cuantitativa de los datos de la tomografía. La segmentación de los datos de la raíz de la del suelo circundante, es decir, el aislamiento de la imagen raíz de todo lo demás alrededor de ella (incluyendo, por ejemplo, una planta vecina) es un paso crítico antes de ACCUanálisis de tamaño de tasa se puede hacer. Sin embargo, un enfoque de umbral simple es a menudo inviable para los datos del directorio raíz. Los retos asociados con raíces de las plantas de imágenes en el suelo incluyen las variaciones en las propiedades de atenuación de rayos X del material de raíz, y la coincidencia en los valores de atenuación entre la raíz y el suelo causada por el agua y la materia orgánica. Estos temas se han tratado magníficamente recientemente por Mairhofer et al. en su herramienta de seguimiento visual RooTrak ^{7, 9.} El siguiente paso después de una segmentación exitosa es la determinación exacta del volumen raíz y superficie. El volumen puede ser estimado contando el número de voxels y multiplicando por cubos tamaño de los voxels 'como se muestra antes de ^7. Para una determinación más precisa de la zona de superficie de la raíz y el volumen, la isosuperficie del sistema radicular segmentado puede ser representado por una malla de triángulos, usando un algoritmo conocido como Marching Cubes ^10. La fuente abierta ImageJ ¹¹ puede emplearse para aproximar THvolumen raíz e basado en el algoritmo de Marching Cubes. A lo mejor de nuestro conocimiento, sólo un número limitado de software de código abierto dedicado a calcular los datos de volumen / superficie basada en tomografía de muestras de raíces en el rango centímetro y actualmente está disponible por encima de ^12. Un software de código abierto que nos aguarda a ¹³ se centra en el crecimiento de raíces y está dirigido a las funciones celulares que permiten el análisis cuantitativo del volumen en la resolución de una sola célula. Algunos programas de software de código abierto dedicado a los sistemas de raíces enteras ¹⁴ es excelente para sistemas de raíces tubular de pequeño diámetro en base a la aproximación de que su forma es en realidad tubular. Sin embargo, algunos trabajos con imágenes 2D y son incapaces de manejar 3D apila ^14. Por otra parte, la aproximación forma tubular puede no ser válido cuando se estudian sistemas de raíces con superficies rugosas y formas no uniformes, tales como los de los árboles. ¹⁵ Otro enfoque utiliza dos dimensiones secuencias de imágenes rotacionales (2D) de elusión de manera innovadora THe la necesidad de un escáner CT costoso. Mide, registra y muestra erradicar longitudes del sistema. El software que hemos probado de los que sólo están disponibles comercialmente ^16-18; uno no parece ser capaz de manejar la imagen 3D pilas ^16, el segundo es un área de la hoja y la medición de la longitud de la raíz ^de herramienta ^17, mientras que el tercero se basa en el análisis del color ^18. Sobre la base de este estudio, se sugiere que una opción sin costo que se aproxima a la superficie y el volumen de la raíz, independientemente de su forma a partir de datos de tomografía 3D es deseable.

Sobre la base del RooTrak libremente disponible y ImageJ, hemos desarrollado un programa, llamado imeshJ (ver archivo de código complementario) que procesa una malla isosuperficie (archivo de estereolitografía superficie) generado a partir de datos del directorio raíz segmentados, y calcula el volumen y el área superficial de la raíz por haciendo cálculos geométricos sencillos en los datos del índice de triángulo de la malla. Aquí mostramos un método que combina el uso de imágenes XCT,la reconstrucción y visualización de datos (software CT Pro 3D y VG Studio), la segmentación de la raíz de la muestra de suelo en los datos en 3D (software de fuente abierta ImageJ y RooTrak), y la extracción de la información de la superficie y el volumen de una malla triangular (ImageJ y el código imeshJ ordenador).