这个协议描述了用于快速收集拟南芥幼苗用市售的平板式扫描仪响应重力刺激的图像的处理。该方法允许对廉价,高容量的高清晰度图像适合用于下游分析算法捕获。
在生物学的研究工作越来越需要使用方法,使高分辨率数据的大批量采集。实验室可以面对的挑战是这些方法的发展和实现。表型中的感兴趣的过程的观察是研究实验室研究基因功能的一个典型目的和这往往是通过图像捕获来实现。一个具体的过程,是适合于观察用成像方法是已被移位从对准与重力矢量幼苗根的生长纠正。用于测量根向地响应成像平台可以是昂贵的,相对低的吞吐量,和/或劳动强度大。这些问题都已经解决了使用廉价的,但高解析度,平板扫描仪发展高通量图像采集方法。使用这种方法,图像可以在4,800 dpi的捕获每隔几分钟。当前的设置使收集的216单独的R每天esponses。收集到的图像数据是充分的品质进行图像分析的应用。
收集高分辨率表型数据的是在研究,旨在了解遗传学的相互作用和环境调解有机体功能1,2有用。是这种性质的研究也天生规模大,使得它另外必要的,用于测量表型在这方面的方法是高通量3,4。在建立表型组学规模的研究方法,吞吐量和分辨率之间进行权衡来发挥作用。方法是在更高的吞吐量也往往在分辨率较低,使之更难以检测遗传或环境5小的影响。可替换地,更多的仔细测量所需表型的方法也往往在吞吐量降低,使得难以广泛调查,遗传和环境的影响。此外,手工方法量化表型,包括视力检查,可以不受变化,由于每个人的差异ception 6。
成像技术可以在获得表型观察7-9提供吞吐量和分辨率之间的有益桥梁。在一般情况下,一个图像是相对容易地捕获,便利的吞吐量,而当在足够高的分辨率拍摄,细微的表现型可检测1,2,7。成像技术往往是修改,以适应感兴趣的系统或过程,一般是可扩展的10-12。正因为如此,成像技术是非常适合的生物体功能的大规模研究的发展。
主根对重力刺激的反应是发生在一个简单形态的器官,一个复杂的生理过程。该反应涉及激活信令通过根器官,传播和其级数是由环境和遗传因素的影响,包括对环境的影响12-14遗传因素决定通路的</suP>。主根对重力刺激的反应自达尔文在研究最少,但还有很多需要学习它是如何工作,特别是在早期信号事件,并在调解响应可塑性12,14,15的因素。获得这一反应的动力学进行详细的了解是在寻找方法来提高苗木的能力,成功地成为在一个特定的环境中16建立了重要的。此外,根的形状,使得它适合用于图像处理的应用程序8,12,17。两者合计,根向地响应是用于高通量成像技术的发展进行有机体功能的基因组层面的研究的目的,一个理想的系统。
在此报告中,高通量,高分辨率方法,利用便宜的,市售的平板扫描仪的根向地响应的图像捕捉呈现。的概述协议, 如图1所示。苗种植在琼脂平板上放置装有定制的有机玻璃板持有者垂直方向的平板式扫描仪。图像采集,每隔几分钟在4,800 dpi的,并保存在本地驱动器或数据服务器上。与每个图象系列关联的元数据存储在数据库和所存储的图像进行处理。该方法使用图像捕捉VueScan软件。 VueScan可用于运行在Windows,Mac或Linux操作系统超过2100不同的扫描仪(见材料表)。 4800 dpi的扫描仪的分辨率用在这个应用程序,以符合使用固定CCD摄像机1,8,12以往的研究取得的分辨率。该VueScan软件以及通用接口的灵活性,它使用它运行,用户可以很容易地采取足够的分辨率几乎所有的扫描仪硬件在本文提出的协议的任何扫描仪。电流通过允许集合每天216个人的反应。该技术的适应性和可扩展适用于机构,从高中到大学的研究。此外,所收集的图像具有足够的质量,用于图像分析的应用程序。
准确的表型观察是了解生物体中的基因功能的表现是至关重要的。获得表型信息的一种方式是通过高分辨率的图像数据的采集。开发了扫描仪为基础的平台,使收集许多图像(200张/扫描周期)的高分辨率(4,800 dpi)的在数个小时。此外,该平台是很容易适应各种实验室和教室环境中由于VueScan软件运行几千使用通用接口18不同的扫描器的灵活性。
这里介绍的方法填充在高通量的图像捕获的空隙,从大规模的表型设备和自动化系统可实现在单个实验室延伸。目前可用的高通量平台倾向于使用专门的成像硬件,包括摄像机安装在机器人支撑,捕捉的p高分辨率图像rimarily地上植物组织(如中心植物一体化技术和Scanalyzer HTS由LemnaTec)20,21。利用X射线和MRI技术专业成像系统也已开发,以地下组织具有显着的分辨率的图像,因为它们在土壤环境中(如中心厂一体化技术)11,22,23成长。这方面的发展更加专业化的技术一般是在吞吐量的成本,使动态表型的研究比较困难。重要的是,这些高端平台的成本和基础设施的需求使它们大多是不可行的小型实验室执行。
平台也已开发了使用更标准图像捕捉技术和非常适合于动态响应如根响应于重力的刺激进行测量。例如,CCD照相机已被用于捕获个人幼苗光反应和重力在高空间和时间分辨率1,8,12。其他系统已经开发,允许从一个单一的图像(例如RootTipMulti由iPlant合作)17,24多根的根尖方向的测量。在前者的情况下,可以通过相对较低是只有一个苗是由每个摄像机一次成像,而在后一种情况下的吞吐量较高,但通常在分辨率为代价。
本文概述的过程呈现捕捉高分辨率的图像在高吞吐量的设备和软件,都是现成的,比较实惠的平台。利用此设置,1080个人根响应可以每星期被收集在一个单一的实验室装备的6扫描器银行。在收集平均每星期864个人回答15个月,共有41,625苗被扫描的基因组学研究。约15%的个人藏品由于安装错误,netwo失败RK故障或设备故障。另外22%的响应失败,原因是缺乏发芽或根系生长不足引发一个生长反应。最终的数据集包括27,475个人幼苗的反应,从163个重组自交系重力刺激加99近等基因系。数据被收集在一个单一的实验室,使之成为一个非常高通量的方法。即使考虑到用于收购的设备相对便宜,它甚至与大量使用可靠地运作了两年多。
虽然这个协议一直是这个群体的研究目标非常有用,一些限制仍然存在。因为大约50 GB的每一天未压缩的图像数据的吞吐量,很显然,大量的空间是需要的房子的图像,除非有效的压缩方案可以发展。存储问题暂时通过购买外部硬盘驱动器为每台计算机解决。此外,2 10 TB的网络关联存储设备购买。以后,压缩算法被开发中,如上所述,这可以帮助减少高达60%( 图8)降低数据大小。要注意,在该数据可以被保存到一个网络相关联的存储装置中的速度依赖于网络连接的速度是很重要的。压缩方案也受到限制,由于以防止图像数据丢失的愿望。
特定于扫描仪为基础的成像系统等的限制也正在考虑。例如,在一台扫描仪为基础的方法的幼苗在每次扫描过程中的白色和潜在的红外线范围内暴露于高强度的光。这可能会影响幼苗生长,幼苗虽然仍然可以观察到经历健壮响应重力刺激( 图7)。未来的改善可能涉及到编程扫描仪这样,只有红外线LED是积极的。在活跃事业发展情况的地区t是创造良好匹配于这些图像数据的分辨率和吞吐量的分析算法。使用这种扫描仪为基础的方法所产生的大数据集已非常适用于强大的工具,用于育苗的图像高通量分型发展。在图7所示的这些图像所采用的压缩算法支持的说法,他们是经得起图像分析应用。此外,所生成的图像可以由先前公布的算法,RootTrace 17,24进行分析,如果它们被收集在较低的分辨率(低于1,200 dpi)的,并且个别苗从图像分析使用前上述压缩算法分割。根系生长数据可以提取图像降低到1,200 dpi的同时刀尖角度数据可以从图像降低到900 dpi的(未发表的观察)中提取。
本文概述的程序安装到在袋鼠的世界自己的利基吨成像,因为它是高通量,高解析度,同时仍然比较实惠。这种方法的一个额外的好处是,它可以很容易地进行定制,以适应特定的研究组的成像需求。
The authors have nothing to disclose.
这项工作是由美国国家科学基金会(奖号IOS-1031416)资助的赠款,并与内森·米勒,洛根·约翰逊和美国威斯康星大学的埃德加·斯伯丁和Brian Bockelman,卡尔Lundstedt和大卫·斯万森的合作已经进行内布拉斯加州的荷兰计算中心大学。
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Plexiglas Scanner Template | – | – | Custom made. See Figure 2. |
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