Summary

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

Published: April 26, 2016
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Summary

Une méthodologie pour obtenir des informations de structure de la racine visuelle et quantitative à partir des données de tomographie à rayons X calculée acquises dans le sol est présenté.

Abstract

Les racines des plantes jouent un rôle essentiel dans les interactions plante-sol-microbe qui se produisent dans la rhizosphère, ainsi que des processus avec des implications importantes pour le changement climatique et la gestion des cultures. information de taille quantitative sur les racines dans leur environnement natif est inestimable pour l'étude de la croissance des racines et des processus environnementaux impliquant des plantes. X-ray tomodensitométrie (XCT) a été démontré être un outil efficace pour la numérisation et l' analyse in situ racine. Nous avons cherché à développer un outil de costless et efficace qui se rapproche de la surface et le volume de la racine quelle que soit sa forme à partir de données en trois dimensions (3D) tomographie. La structure de la racine d'un dropseed Prairie (heterolepis Sporobolus) spécimen a été imagé en utilisant XCT. La racine a été reconstruit, et la structure de la racine primaire a été extrait à partir des données en utilisant une combinaison de logiciel sous licence et open-source. Un maillage polygonal isosurface a ensuite été créé pour faciliter l'analyse. Nous avons développé til standalone l' application imeshJ, générée en MATLAB 1, pour calculer le volume de la racine et de la surface de la maille. Les sorties des imeshJ sont de surface (en mm 2) et le volume (en mm 3). Le processus, en utilisant une combinaison unique d'outils d'imagerie à l'analyse quantitative de la racine, est décrite. Une combinaison de XCT et des logiciels open-source avérée être une combinaison puissante pour noninvasively échantillons de racines de plantes, l'image données du segment racine, et extraire des informations quantitatives à partir des données 3D. Cette méthodologie de traitement de données 3D devrait être applicable à d'autres systèmes matériels / d'échantillons où il existe une connectivité entre les composants de la même atténuation des rayons X et des difficultés surgissent avec la segmentation.

Introduction

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).

Protocol

Attention: Le fonctionnement d'un scanner de tomographie à rayons X nécessite à la fois la formation de rayonnement général, et de la formation en matière de sécurité de rayonnement spécifique à l'instrument. Toutes les procédures pertinentes au laboratoire de l'expérimentateur correspondants doivent être suivies. 1. Racine Imaging Remarque: Cette étape décrit l'imagerie d'une herbe spécimen tenue dans son sol d'origine dans un pot en plastique tubulaire (un tube en …

Representative Results

L'échantillon constitué de deux tiges de l'herbe native Prairie dropseed (Sporobolus heterolepis) et le sol d' origine autour d' elle a été prise à partir d' un quartier résidentiel et placé dans un petit support en forme de tube montre la figure 1. La taille reconstruite de voxel de données a été d' environ 31 um x 31 um x 31 um. Le fichier de volume reconstruit a été utilisé pour créer une pile d'images à partir d&#39…

Discussion

Une combinaison de rayons X calculé plusieurs programmes open-source prouvées de positons et d'être une combinaison puissante pour noninvasively échantillons de racines images de plantes, données du segment racine, et extraire de l'information quantitative (surface et volume) à partir des données 3D. Notre capacité à visualiser et mesurer des caractéristiques est toujours limitée par la résolution de numérisation, ainsi que par les limitations du logiciel RooTrak. Cependant, la résolution de numér…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was performed in the Environmental Molecular Sciences Laboratory, a national scientific user facility sponsored by the Department of Energy’s Office of Biological and Environmental Research and located at Pacific Northwest National Laboratory.

Materials

X-Tek/Metris XTH 320/225 kV  Nikon Metrology n/a X-ray tomography scanner
Inspect X Nikon Metrology n/a Instrument control software
CT Pro 3D Nikon Metrology n/a Reconstruction software, version XT 2.2
VG Studio MAX Visual Graphics GmbH n/a Visualization software for 3D volumes, version 2.1.5
ImageJ Open-source n/a Image processing and analysis software, version 1.6
RooTrak Open-source n/a Root segmentation software, version 0.3.1-b1 beta
imeshJ EMSL n/a MATLAB script developed by the authors
Prairie dropseed grass sample n/a n/a Sample obtained from ground in residential area

References

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Cite This Article
Suresh, N., Stephens, S. A., Adams, L., Beck, A. N., McKinney, A. L., Varga, T. Extracting Metrics for Three-dimensional Root Systems: Volume and Surface Analysis from In-soil X-ray Computed Tomography Data. J. Vis. Exp. (110), e53788, doi:10.3791/53788 (2016).

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