منظور تقني في الحديث شجرة الدائري البحث - كيفية التغلب على Dendroecological والخشب تشريحية التحديات
Summary
Here we present a protocol outlining how to sample wooden specimens for the overall assessment of their growth structures. Macro- and microscopic preparation and visualization techniques necessary to generate well-replicated and highly resolved wood anatomical and dendroecological dataset, are described are described.
Abstract
يستخدم البحث Dendroecological المعلومات المخزنة في حلقات الأشجار لفهم كيفية الأشجار واحدة والنظم الإيكولوجية للغابات بأكملها حتى استجابت للتغيرات البيئية وأخيرا لإعادة بناء هذه التغييرات. ويتم ذلك من خلال تحليل الاختلافات نمو العودة في الوقت المناسب وربط مختلف المعايير الخاصة بالمصنع ل(على سبيل المثال) سجلات درجات الحرارة. ان دمج الخشب المعلمات التشريحية في هذه التحليلات تعزيز إعادة البناء، حتى وصولا الى قرار البينية السنوي. لذا نقدم بروتوكول بشأن كيفية أخذ عينات، وإعداد وتحليل عينة خشبية للتحليلات العيانية المشتركة، ولكن أيضا للتحاليل مجهرية لاحقة. وعلاوة على ذلك نحن نقدم حلا ممكنا لتحليل الصور الرقمية ولدت من العينات الصغيرة والكبيرة المشتركة لدعم تحليل السلاسل الزمنية. يقدم البروتوكول الخطوات الأساسية لأنها حاليا يمكن استخدامها. أبعد من ذلك، هناك حاجة مستمرة لتحسين التقنيات القائمة، وتطوير ر جديدechniques، لتسجيل وقياس العمليات البيئية الماضية والجارية. يحتاج الخشب البحوث التشريحية التقليدية ليتم توسيعها لتشمل المعلومات البيئية لهذا المجال من الأبحاث. وهذا من شأنه دعم dendro-العلماء الذين يعتزمون تحليل معايير جديدة وتطوير منهجيات جديدة لفهم الآثار قصيرة وطويلة المدى من عوامل بيئية محددة على تشريح النباتات الخشبية.
Introduction
الأشجار، وكذلك الشجيرات والشجيرات القزمة، وحتى الأعشاب، وتظهر أنماط استجابة متعددة المتصلة بالتغيرات في بيئتها. وكانت هذه الأنماط تخضع لعلم النبات وعلم فسيولوجيا النبات منذ القرن التاسع منتصف 19. في ذلك الوقت، ركزت الأبحاث على النباتات الخشبية في الغالب على الأشجار وتحليل وصفي لهيكل وتنوع الحلقات السنوية في سياق البيئي 1. عندما اخترع اندرو اليكوت دوغلاس تقنية عبر تاريخها للبحوث شجرة الدائري 2، وكان أكثر أو أقل قمع هذا السياق للبيئة من القدرة الجديدة حتى الآن بدقة النتائج خشبية في علم الآثار. عبر تاريخها للمرة الأولى تمكين يرجع تاريخها دقيقة من حلقات شجرة مع السنة التقويمية وحتى الآن تعتبر بمثابة العمود الفقري للبحوث شجرة الدائري في جميع مجالات تطبيقها 1.
في موازاة ذلك، منذ نهاية القرن ال19، وعلم التشريح الخشب تطورت الى الانضباط البحوث الهامة تتعلقد إلى العديد من المجالات الأخرى من العلوم الطبيعية والتطبيقية 3. يتم وضع اثنين من المجالات الرئيسية: تشريح منهجي الخشب، والتي هي أساسا لتحديد الخشب في علم الآثار 4، وتشريح الخشب التطبيقية، المتعلقة بالتكنولوجيا الخشب، علم وظائف الأعضاء، علم الأمراض، وعلم البيئة 3،5.
في مجال البحوث شجرة الدائري، dendroecology في الوقت الحاضر هو الذي يعرف بأنه موضوع يشمل الدراسات شجرة الدائري ذات الصلة مع التركيز على الدراسات البيئية مثل العمليات الجيومورفولوجية (dendrogeomorphology) ودرجة الحرارة وهطول الأمطار اعادة البناء (dendroclimatology)، والتغيرات منسوب المياه (dendrohydrology) أو حتى تقلبات الجليدية ( dendroglaciology) 6. كما يشير هذا التعريف، أصبحت التحليلات شجرة الدائري متزايد الأهمية في مجال التعارف وإعادة بناء العمليات البيئية مثل (ط) الظروف المناخية الماضية من خلال تحليل التغيرات السنوية في الدائري العرض 7،8، كثافة الخشب 9 أو نظائر 10، أو (ب) رانه نكس فترات من العمليات الجيومورفولوجية 11. هذه الدراسات مفصلة جدا حول الاختلافات الدائري العرض ومحتواها النظائر تظهر الحاجة لتحليل حلقات بمزيد من التفصيل، أي لدراسة بنية التشريحية للحلقات. ومع ذلك، دراسات تفصيلية من الميزات الخشب التشريحية داخل الحلقات السنوية المتعلقة بالتغيرات البيئية نادرة 12،13. وعلى الرغم من هذه الميزات المجهرية المعروفة 14، فإنها نادرا ما تم تطبيقه على المستوى المجهري لبحث dendroecological. وعلاوة على ذلك، فإن توقيت دقيق لهذه التفاعلات النمو في الأشجار ينمو بصورة طبيعية، ضرورية لأغراض يرجع تاريخها بالضبط، ونادرا ما تم توثيق مؤخرا 15.
وفيما يتعلق آثار الاحترار العالمي 16، وتحسين تطوير تقنيات الحاليين والجدد لتسجيل وكميا العمليات البيئية السابقة والحالية هو مطلوب، وخاصة من حيث البحوث تأثير المناخ 11.من خلال توسيع الخشب البحوث التشريحية التقليدي إلى الخشب التشريح أساس بيئيا 17، يمكن dendro-العلماء تحليل معايير جديدة وتطوير منهجيات جديدة لفهم المدى القصير والمدى الطويل آثار عوامل بيئية محددة على تشريح النباتات الخشبية (18). معرفة تفصيلية عن الاختلافات في معايير مختلفة من الخلايا ضمن حلقات الفردية المتصلة السائقين محددة (على سبيل المثال، القوات الميكانيكية والتقلبات المناخية) هو شرط أساسي لفهم التباين في تشكيل عصابة شجرة. مقارنة لقياسات الدائري العرض المشتركة، وتحديد الاختلافات التشريحية الخشب يتطلب تقنيات إعداد أكثر تعقيدا وتوسعية التي تتطلب الكثير من العمل والوقت. إجراءات تفصيلية من القطع عينة، وتلطيخ، والتضمين هي متعددة ودائما تعتمد على الهدف من هذه الدراسة 19.
لتحليل العيانية من عرض حلقة في الصنوبريات أو الهياكل حتى بالنسبة لعدد وحجم أو تنقيبibution السفن في الصلب، ومصقول سطح عينة عادة باستخدام غرامة رقة جلخ أو آلات طحن الخاصة 20. عيوب هذا الإجراء هو ملء الخلايا الفردية مع الغبار الذي يمنع المزيد من شبه التحليل المجهري 21. وتتحقق أفضل النتائج لإعداد العينات العيانية عندما يتم قطع سطح العينة باستخدام شفرة حلاقة أو سكين حاد آخر.
أما بالنسبة للعينات الصغيرة، وشفرات الحلاقة هي أداة مثالية. عينات أكبر كما النوى تتطلب قطع الأسطح طائرة على مدى كاملة من النوى. وعلى النقيض من الرملي، لا يتم ملء الخلايا مع الغبار، والتي تمكن مزيد من التحضير لتحليل الصور التوالي. وعلاوة على ذلك، فإن التجويف مفتوحة الخلية، وجدران الخلايا خفض بشكل صحيح، وسطح الطائرة من العينة كلها تتيح تطبيق عالية التردد كثافة 22 إلى مدى كامل من جوهر. لصورة تحلل، والسطح العينات (خليةالجدران) يمكن أن تكون ملطخة باستخدام الحبر الأسود، ويمكن بعد ذلك أن يملأ التجويف خلية مفتوحة مع الطباشير الأبيض لتعزيز التباين بين جدار الخلية ومنطقة التجويف 19،23. هذه التقنية بسيطة إلى حد ما تمكن تقييم العيانية الأساسي للهياكل الخلية أكبر لقياسات حجم السفينة.
هذه التقنيات لقطع الأسطح طائرة كافية لتحليل العيانية. لتشريحية مفصلة الخشب (أي المجهري) التحليل، والتي تنتقل عن طريق المجهر الضوئي هو الأسلوب الأكثر شيوعا تطبيقها في العلوم dendro. خلايا الخشب تفرق من خلال عمليات معقدة تشمل تحديد الخلية من نوع، انقسام الخلايا، وتمايز الخلايا، وموت الخلايا المبرمج 24. منذ توقيت والمعدل الذي تحدث هذه العمليات تحديد الخصائص التشريحية خلية، يمكن أن الظروف البيئية التي تؤثر على هذه العمليات توليد الانحرافات التشريحية في بنية الحلبة. كما شرط مسبق هام لهذه تحليلالصورة، تحتاج أقسام متناهية الصغر لتكون على استعداد مع مشراح 19. عند إعداد عينات لباجتزاء، وتسليط الضوء على قصيبة أو الألياف الاتجاه أمر بالغ الأهمية. ينصح استخدام اليد مدفوعة انزلاق مبضع للفحص المجهري لخفض أقسام الدقيقة لهذه التقنية تسهل أقسام عالية الجودة حسب الحاجة لصورة يحلل 19. اعتمادا على الهدف المحدد للدراسة معينة، يتم قطع الفروع الصغيرة عمودي أو موازية لمدى الطولي للخلايا. ثم يتم تصويرها هذه الأقسام أدناه المجهر وأبعاد الخلية قياسها باستخدام صورة المتخصصة يحلل البرمجيات.
حتى وقت قريب، كان مقتصرا على القدرة على إعداد أقسام صغيرة لعينة أحجام صغيرة فقط (حوالي 1 سم × 1 سم). هذا هو مقبول لتحليل الأحداث واحدة كما اضطرابات في السنوات محددة، ولكن هذه التقنية لا تسمح الموسعة تحليل السلاسل الزمنية اللازمة لإعادة البناء البيئية. هذا الجهد لا يمكن إلا أن يدركد من خلال تطوير إجراءات إعداد جديدة وفعالة واقتصادية والتقنيات التحليلية. في السنوات الأخيرة، بدأ أعضاء المختبر شجرة الدائري في معهد البحوث السويسري الاتحادي وسل في سويسرا العمل المكثف حول هذا الموضوع. ونتيجة لذلك، تم تطوير أجهزة جديدة وتقنيات تحليل لدعم فكرة دمج الخشب الخصائص التشريحية لمجموعة واسعة من الموضوعات البحثية البيئية.
Protocol
Representative Results
Discussion
تحديات الاندماج الناجح والمستدام للتشريح الخشب إلى البحث dendroecological هي، بصرف النظر عن المشاكل تحليلية متعددة، ويرجع في معظمه إلى الجوانب التقنية. هذه التحديات تتراوح من نهج أخذ العينات من حيث المبدأ على إنشاء أقسام صغيرة عالية الجودة والتحليل في وقت لاحق (19).
للوهلة الأولى، وأخذ عينات من النوى أو حتى أقراص هو إجراء بسيط هو أن كان معروفا لسنوات عديدة الآن. هناك العديد من الأشياء التي يمكن القيام به خطأ وخطأ صغير في أخذ العينات يمكن أن يؤدي إلى مشاكل حادة خلال مراحل إعداد وتحليل لاحقة. أخطاء صغيرة مثل الحفارات التي ليست بالضبط عمودي على محور الجذعية أو باستخدام أخذ العينات الجوفية شحذ ناقص ليست قضية إذا كان الهدف من هذه الدراسة تقتصر على عصابة ذات العرض القياسات. ومع ذلك، عندما تهدف لتحليل مجهري من العينات، قد يؤدي اتجاه أخذ العينات غير صحيحة في التشوهات البصرية للجدران الخلايا، في حين أن استخدام نتائج المثاقيب حادة في الشقوق الصغيرة داخل نواة. ونتيجة لذلك، عند محاولة قطع الأجزاء الصغيرة من هذه النوى، والشرائح الرقيقة فقط ينهار ولم تعد مضمونة لإعداد كفاءة. وينطبق الشيء نفسه لأخذ العينات الصغيرة الأساسية. وهناك معلومات غير حادة يؤدي إلى ارتفاع ضغط عندما يتم التوصل إلى الناخس في الخشب الجذعية. وبناء على ذلك سيتم ضغط طبقة متعلق بالصرف المالي. الخلايا متعلق بالصرف المالي (الشكل 5) وبالتالي تقلص والتي لا يمكن تحليلها.
أخذ العينات القرص هو في الواقع أفضل استراتيجية عند تحليل الاختلافات النمو لربطها مع التغيرات البيئية. للأسف يستحيل أن تأخذ أقراص من جميع الأشجار تهدف إلى أخذ عينات لإجراء المزيد من التحليلات. ومع ذلك، وخاصة في حالة علم تحديد عمر الأشجار الاستوائية، وهناك حاجة إلى كمية معينة من الأقراص الجذعية في تركيبة مع النوى الزيادة. وتستخدم الأقراص كقاعدة لتحديد الحدود حلقة ولهذا لدعم boundarالمنشأ، تحدد على أساس تحليل النوى زيادة 12،27،28.
وكثيرا ما تناقش إيجابيات وسلبيات الرملي مقابل قطع 1،11،21. كما هو مذكور أعلاه، فإن أفضل إجراء يعتمد دائما على مسألة البحث والمعلمات ليتم تحليلها (العيانية أو المجهري). إذا من المتوقع تحليلات النظائر أو الكيميائية في خطوة عمل أخرى، فإنه من الأهمية بمكان أن الغبار جلخ التي أنشأتها الرملي التي قد شغل في ومينا الخليوي أكثر من العينة بأكملها، تتم إزالة بعناية من قبل كنس أو ضغط الهواء.
قطع الفروع الصغيرة هو لجميع المجهرية يحلل أنسب طريقة لتحضير العينات لإجراء المزيد من التحليلات. أولا وقبل كل شيء، هو قطع قسم من العينة، التي ثم يمكن أن تبقى دون أي تلوث لإجراء المزيد من التحليلات المحتملة. ثاني هذه الأقسام تسمح لقياسات عالية الدقة من المعلمات خلية واحدة. وعلاوة على ذلك، وتجنب تضمين مضيعة للوقتتقنية باستخدام محلول نشا الذرة 26 لتحقيق الاستقرار في الخلايا هي ميزة كبيرة في باجتزاء الجزئي.
عيوب باجتزاء الصغير لا يزال حجم العينة محدود الناتجة في أوقات إعداد طويلة. لسلسلة في الوقت الحقيقي تحليلات يعود في الوقت المناسب على مدى قرون أو حتى آلاف السنين، هناك حاجة لمواصلة تطوير الأجهزة الموجودة قطع 17،19، ولكن أيضا لمعالجة الصور وتحليل 18. والخطوة الأولى في هذا الاتجاه هو تطوير مشراح الأساسية 21، صنعت في البداية لقطع الأسطح طائرة على النوى (الشكل 1). وكشفت التجارب الأخيرة القدرة على خفض أقسام صغيرة من النوى بأكملها باستخدام هذا الجهاز (الشكل 1).
توفر أقسام صغيرة جودة عالية المبدأ الأساسي لتحليل الصور الفعال. أخذ الصور تحت المجهر هو إجراء شائع 19، ولكن التحليل على نحو فعال لا يزال مهمة التي تحتاجإلى مزيد من التطوير 17. جميع أنظمة تحليل الصور الموجودة هي شبه التلقائي، أي أنها تحتاج إلى أن تكون أكثر أو أقل تسيطر بشكل مكثف من قبل فني. في كثير من الحالات، تحتاج إلى تصحيح الصور او حتى صور جديدة يتعين القيام به لتعزيز النقيض لتسجيل أفضل للهياكل من قبل البرنامج دون تغيير سماكة جدار الخلية داخل الصورة.
المتخصصة أدوات تحليل الصور مثل ROXAS 18، WinCell أو البرامج النصية محددة ليماغيج 29 قادرة على توفير البيانات التشريحية الأساسية مثل عدد الخلايا، والبعد الخلية، وسمك جدار الخلية وموقف خلية داخل الحلبة السنوية. ويمكن حساب العديد من المقاييس التشريحية إضافية ذات الصلة في سياق dendroecological من هذه القياسات الأساسية مثل حجم من أكبر قنوات، حجم التوزيع من خطوط الأنابيب، وحجم earlywood أو الصف الأول من خطوط الأنابيب، (البصرية) كثافة الخشب، داخل السنوية لمحات من حجم القناة وجدار الخليةسمك، وأنماط التجمع من خطوط الأنابيب (الانفرادي، مضاعفات، وما إلى ذلك).
باستخدام برنامج ROXAS 18، يتم التعرف تلقائيا على الخطوط العريضة لومينا قناة (أي خلية إجراء الماء) والحدود حلقة السنوية ويمثل بصريا كما تراكب فوق الصورة الأصلية. تستند خوارزميات الكشف عن قنوات على لون وحجم وشكل المعلومات، خوارزميات الكشف عن حدود الطوق على السياق المحلي لكل قناة. مجموعة أدوات تسمح لنا لتحسين هذه النتائج يدويا عن طريق تحرير مباشرة الميزات تراكب، أي حذف، إضافة وتعديل الحدود حلقة ويحدد القناة. بعد التحرير، وإخراج البيانات النهائية، بما في ذلك سمك جدار الخلية (الصنوبريات)، يتم إنشاؤها تلقائيا وحفظها في جدول بيانات. أنظمة مؤتمتة بالكامل هي حاليا غير متوفرة، ولا حتى لالصنوبريات تظهر بنية بسيطة نسبيا، ولكن هذا هو هدف للتطورات المستقبلية. وهذا من شأنه أن تدعم بقوة فوالتكامل ليرة لبنانية من الخشب المعلمات التشريحية في السلاسل الزمنية ويحلل.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge the effort of Sandro Lucchinetti (Schenkung Dapples, Zürich) for constructing the devices needed to guarantee progress in sample preparation.
Materials
| Increment corer | http://www.haglofinc.com/index.php?option=com_content&view=article &id=57&Itemid=88&lang=en |
||
| Core-Microtome | http://www.wsl.ch/dendro/products/microtomes/index_EN | ||
| Laboratory microtome | http://www.wsl.ch/dendro/products/microtomes/index_EN | ||
| Trephor micro corer | http://intra.tesaf.unipd.it/Sanvito/trephorEn.asp | ||
| Nawashin solution | Ten parts 1% chromic acid, four parts 4% formaldehyde and one part acetic acid | ||
| Picric-Anilin blue | One part saturated aniline blue and four parts Trinitrophenol dissolved in 95% ethanol | ||
| Safranin | Empirical Formula (Hill Notation) C20H19ClN4 | ||
| Astra-blue | Empirical Formula (Hill Notation) C47H52CuN14O6S3 | ||
| Ethanol | Linear Formula CH3CH2OH | ||
| Xylol (Xylene) | Linear Formula C6H4(CH3)2 | ||
| Canada Balsam | Embedding solution for microscopy | ||
| Roxas Software | http://www.wsl.ch/dienstleistungen/produkte/software/roxas/index_EN | ||
| ImageJ Software | http://imagej.nih.gov/ij/ | ||
| WinCell | http://imagej.nih.gov/ij/ |
References
- Schweingruber, F. H. . Tree Rings and Environment: Dendroecology. , (1996).
- Sheppard, P. R. Dendroclimatology: extracting climate from trees. Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change. 1, 343-352 (2010).
- Wagenführ, R. . Anatomie des Holzes: Strukturanalytik – Identifizierung – Nomenklatur – Mikrotechnologie. , (1999).
- Tennessen, D., Blanchette, R. A., Windes, T. C. Differentiating Aspen and Cottonwood in Prehistoric Wood from Chacoan Great House Ruins. Journal of Archaeological Science. 29, 521-527 (2002).
- Rowell, R. M. . Handbook of Wood Chemistry and Wood Composites. , (2005).
- Kaennel, M., Schweingruber, F. H. . Multilingual Glossary of Dendrochronology. Terms and definitions in English, German, French, Spanish, Italian, Portuguese and Russian. , (1995).
- Esper, J., Frank, D. C., Luterbacher, J., Kienast, F., et al. A changing world: challenges for landscape research. On selected issues and challenges in dendroclimatology. , 113-132 (2007).
- Esper, J., Frank, D. C., Wilson, R. J. S., Büntgen, U., Treydte, K. Uniform growth trends among central Asian low and high elevation juniper tree sites. Trees. 21 (2), 141-150 (2007).
- Frank, D. C., Nievergelt, D., Esper, J. Summer temperature variations in the European Alps, AD 755-2004. Journal of Climate. 19 (2), 5606-5623 (2006).
- Treydte, K., et al. Millennium-long precipitation record from tree-ring oxygen isotopes in northern Pakistan. Nature. 440, 1179-1182 (2006).
- Heinrich, I., Elias, S. A. Dendrogeomorphology. The Encyclopedia of Quaternary Science. 2, 91-103 (2013).
- Verheyden, A., De Ridder, F., Schmitz, N., Beeckman, H., Koedam, N. High-resolution time series of vessel density in Kenyan mangrove trees reveal a link with climate). New Phytologist. 167, 425-435 (2005).
- Abrantes, J., Campelo, F., García-González, I., Nabais, C. Environmental control of vessel traits in Quercus ilex under Mediterranean climate: relating xylem anatomy to function. Trees. 27, 655-662 (2013).
- Fengel, D., Wegener, G. W. o. o. d. . Wood: Chemistry, Ultrastructure, Reactions. , (2003).
- Heinrich, I., Gärtner, H., Monbaron, M. Tension wood formed in Fagus sylvatica and Alnus glutinosa after simulated mass movement events. IAWA-Journal. 28 (1), 39-48 (2007).
- Stocker, T. F., et al. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. , (2013).
- Lucchinetti, S., Schweingruber, F. H. New perspectives for wood anatomical analysis in Dendrosciences: The GSL1-microtome). Dendrochronologia. 32 (1), 47-51 (2014).
- Arx, G., Carrer, M. ROXAS – a new tool to build centuries-long tracheid-lumen chronologies in conifers. Dendrochronologia. 32 (3), 290-293 (2014).
- Schweingruber, F. H. . Microscopic Preparation Techniques for Plant Stem Analysis. , (2013).
- Hoadley, R. B. . Identifying wood: Accurate results with simple tools. , (1990).
- Nievergelt, D. The core-microtome. A new tool for surface preparation on cores and time series analysis of varying cell parameters. Dendrochronologia. 28 (2), 85-92 (2010).
- Von Schnakenburg, P., Bräuning, A., Helle, G., Elferts, D., Brumelis, G., Gärtner, H., Helle, G., Schleser, G. Detecting annual growth rhythms from high-frequency densitometry and carbon isotopes in tropical mountain rain forest trees in southern Ecuador. Tree Rings in Archaeology, Climatology and Ecology. 6, 96-99 (2008).
- Garcia Gonzalez, I., Fonti, P. Ensuring a representative sample of earlywood vessels for dendroecological studies: an example from two ring-porous species. Trees. 22 (2), 237-244 (2008).
- Fonti, P., et al. Studying global change through plastic responses of xylem anatomy in tree rings. New Phytologist. 185 (1), 42-53 (2010).
- Purvis, M. J., Collier, D. C., Walls, D. . Laboratory techniques in Botany. , (1966).
- Schneider, L., Gärtner, H. The advantage of using non-Newtonian fluids to prepare micro sections. Dendrochronologia. 31 (3), 175-178 (2013).
- De Ridder, M., Vanden Bulcke, J., Van Ackera, J., Beeckman, H. Tree-ring analysis of an African long-lived pioneer species as a tool for sustainable forest management. Forest Ecology and Management. 304, 417-426 (2013).
- De Ridder, M., et al. A tree-ring based comparison of Terminalia superba climate–growth relationships in West and Central. Trees. 27 (5), 1225-1238 (2013).
- Redband, W. S. . ImageJ. , (1997).
