Estrazione metriche per sistemi di radici tridimensionali: volume e superficie di analisi da In-terreno a raggi X Tomografia Computerizzata dati

Roots, come parte della rizosfera ^2-5, rappresentano una parte "invisibile" della biologia vegetale in quanto terreno rende difficile alle radici di immagini non invasivo ^{6, 7.} Tuttavia, studiando la crescita delle radici e l'interazione all'interno dell'ambiente del suolo è fondamentale per la comprensione root / crescita delle piante e il ciclo dei nutrienti, che a loro volta influenzano la forestazione, la sicurezza alimentare, e del clima. X-ray tomografia computerizzata (XCT) ha dimostrato di essere uno strumento prezioso per l'imaging non invasivo di campioni radice vegetale nei loro ambienti locali ^8. Al fine di misurare lo sviluppo delle radici e variazioni dimensionali in condizioni diverse, ed essere in grado di confrontare i dati provenienti da diversi set di dati / campioni, si ha la necessità di estrarre informazioni quantitative dai dati tomografia. Segmentazione dei dati radice da quello del terreno circostante, cioè l'isolamento dell'immagine radice da tutto il resto intorno (tra cui, ad esempio, un impianto adiacente) è un passaggio critico prima accuanalisi della dimensione delle rate può essere fatto. Tuttavia, un approccio semplice soglia è spesso impossibile per i dati di radice. Le sfide connesse con le radici delle piante di imaging nel suolo includono variazioni nelle proprietà di attenuazione dei raggi X del materiale radice, e la sovrapposizione di valori di attenuazione tra la radice e suolo causati da acqua e materia organica. Questi problemi sono stati affrontati superbamente recentemente da Mairhofer et al. nella loro strumento di monitoraggio visivo RooTrak ^{7, 9.} Il passo successivo dopo una segmentazione di successo è la determinazione accurata del volume di root e di superficie. Il volume può essere stimata contando il numero di voxel e moltiplicando per dimensione al cubo voxel 'come mostrato prima del ^7. Per una determinazione più accurata della superficie della radice e volume, la isosurface del sistema radicale segmentato può essere rappresentato da una maglia di triangoli, utilizzando un algoritmo noto come Marching Cubes ^10. La open-source ImageJ ¹¹ può essere utilizzato per approssimare °volume di root e in base all'algoritmo Marching Cubes. Per quanto a nostra conoscenza, solo un numero limitato di software open-source dedicato al calcolo dei dati del volume / superficie tomografia-based per i campioni di root nel campo di centimetri e, soprattutto, è attualmente disponibile ^12. Un software open-source abbiamo guardato ¹³ si concentra sulla crescita delle radici e si rivolge a funzioni cellulari che permettono l'analisi quantitativa volume a risoluzione di una singola cellula. Alcuni software open-source dedicato a sistemi di radici intere ¹⁴ è eccellente per i sistemi di root tubolari di piccolo diametro in base al ravvicinamento che la loro forma è in realtà tubolare. Tuttavia, alcuni lavori con immagini 2D e non sono in grado di gestire in 3D stack ^14. Inoltre, la forma tubolare approssimazione può non essere valido quando apparati radicali con superfici ruvide e forme non uniformi, come quelle di alberi, sono studiati. Un altro approccio ¹⁵ utilizza due-dimensionali (2D) sequenze di immagini di rotazione innovativo eludere °e la necessità di uno scanner CT costosa. Misura, record, e visualizza radice lunghezze di sistema. Il software che abbiamo testato tra quelli disponibili in commercio solo ^16-18; uno non sembra essere in grado di gestire immagini 3D pile ^16, il secondo è un utensile superficie fogliare e misurazione della lunghezza della radice ^17, mentre la terza è basata sull'analisi colore ^18. Sulla base di questa indagine, vi suggeriamo di un'opzione a costo zero che approssima la superficie e il volume della radice indipendentemente dalla sua forma a partire dai dati tomografia 3D è desiderabile.

Basandosi sul RooTrak liberamente disponibile e ImageJ, abbiamo sviluppato un programma, chiamato imeshJ (vedi file di codice supplementare), che elabora una maglia isosuperficie (file stereolitografia superficie) generato dai dati radice segmentati, e calcola il volume e la superficie della radice da facendo semplici calcoli geometrici sui dati di maglia indice triangolo. Qui riportiamo un metodo che combina l'uso dell'imaging XCT,ricostruzione e visualizzazione dei dati (software TC Pro 3D e VG Studio), la segmentazione della radice del campione dal terreno nei dati 3D (software open-source ImageJ e RooTrak), e l'estrazione dei dati di superficie e il volume da una maglia triangolare (ImageJ e il codice imeshJ computer).