استخراج المقاييس لأنظمة جذر ثلاثي الأبعاد: حجم والسطحية تحليل من في التربة الأشعة السينية بالكمبيوتر بيانات التصوير المقطعي
Summary
ويرد منهجية للحصول على معلومات بنية الجذر البصرية وكمية من الأشعة السينية حسابها بيانات التصوير المقطعي المكتسبة في التربة.
Abstract
جذور النباتات تلعب دورا حاسما في تفاعلات النباتات والتربة ميكروب التي تحدث في منطقة الجذور، وكذلك العمليات التي لها آثار هامة لتغير المناخ وإدارة المحاصيل. معلومات حجم الكمية على جذور في بيئتها الأم لا تقدر بثمن لدراسة نمو الجذور والعمليات البيئية التي تنطوي على النباتات. وقد أظهرت الأشعة السينية التصوير المقطعي (XCT) لتكون أداة فعالة لفي الموقع مسح الجذور والتحليل. نحن تهدف إلى تطوير عملية دون كلفة وكفاءة الأداة التي يقارب سطح وحجم الجذر بغض النظر عن شكله من البيانات ثلاثي الأبعاد (3D) التصوير المقطعي. هيكل جذر dropseed المرج تم تصوير (heterolepis Sporobolus) عينة باستخدام XCT. أعيد بناء الجذرية، واستخراج بنية الجذر الأساسي من البيانات باستخدام مجموعة من البرامج المرخصة ومفتوحة المصدر. ثم تم إنشاء شبكة مضلعة isosurface لسهولة التحليل. لقد قمنا بتطوير رانه تطبيق مستقل imeshJ، ولدت في MATLAB 1، لحساب حجم الجذر ومساحة من شبكة. مخرجات imeshJ هي مساحة (مم 2) وحجم (مم 3). عملية، وذلك باستخدام مزيج فريد من الأدوات من التصوير لتحليل جذور الكمي، يوصف. مزيج من XCT والبرمجيات مفتوحة المصدر ثبت أن تكون تركيبة قوية لعينات جذور النباتات الصورة، والبيانات جزء الجذر، وnoninvasively استخراج المعلومات الكمية من البيانات 3D. وينبغي أن تكون هذه المنهجية من معالجة البيانات 3D ينطبق على أنظمة المواد / عينة الأخرى التي يوجد فيها الربط بين مكونات مماثلة توهين الأشعة السينية والصعوبات تنشأ مع تجزئة.
Introduction
الجذور، كجزء من منطقة الجذور 2-5، تمثل جزءا "غير مرئية" من بيولوجيا النبات منذ التربة يجعل من الصعب جذور صورة غير جراحية 6 و 7. ومع ذلك، ودراسة نمو الجذور والتفاعل ضمن بيئة التربة أمر بالغ الأهمية لفهم الجذر / نمو النبات وتدوير المغذيات، والتي بدورها تؤثر على التشجير، والأمن الغذائي، والمناخ. وقد أثبتت الأشعة السينية التصوير المقطعي (XCT) ليكون أداة قيمة للتصوير موسع من عينات جذور النباتات في البيئات المحلية 8. من أجل قياس التنمية الجذرية والتغيرات الأبعاد في ظل ظروف مختلفة، وتكون قادرة على مقارنة البيانات من مختلف قواعد البيانات / العينات، ويحتاج المرء لاستخراج المعلومات الكمية من البيانات التصوير المقطعي. تجزئة البيانات الجذر من أن التربة المحيطة بها، وهذا هو، وبمعزل عن صورة الجذر من كل شيء حوله (بما في ذلك، على سبيل المثال، وهو نبات المجاورة) هو خطوة حاسمة قبل هددتويمكن أن يتم تحليل حجم معدل. ومع ذلك، فإن نهج العتبة بسيط في كثير من الأحيان غير مجدية للبيانات الجذر. التحديات المرتبطة جذور النباتات التصوير في التربة وتشمل الاختلافات في خصائص توهين الأشعة السينية من المواد الأساسية، وتداخل في القيم توهين بين الجذر والتربة الناجم عن الماء والمواد العضوية. هذه القضايا تم تناولها بطريقة رائعة في الآونة الأخيرة من قبل Mairhofer وآخرون. في هم أداة تتبع بصرية RooTrak 7 و 9. والخطوة التالية بعد تجزئة ناجحة هو تحديد دقيق لحجم الجذر ومساحة السطح. ويمكن تقدير حجم عن طريق حساب عدد من voxels وضرب من قبل مكعبة حجم voxels "كما هو موضح قبل 7. لتحديد أكثر دقة من مساحة سطح الجذر وحدة التخزين، وisosurface من نظام الجذر مجزأة يمكن أن يمثله شبكة المثلثات، وذلك باستخدام خوارزمية يعرف مكعبات زحف 10. المصدر المفتوح يماغيج 11 يمكن أن تستخدم لتقريب عشرحجم الجذر ه بناء على خوارزمية زحف مكعبات. إلى حد علمنا، سوى عدد محدود من البرمجيات المفتوحة المصدر مخصصة لحساب حجم البيانات / سطح القائم على التصوير المقطعي لعينات الجذر في مجموعة سنتيمتر وأعلاه هو متاح 12 حاليا. أحد برمجيات المصدر المفتوح ونحن ننظر في 13 يركز على نمو الجذور ويهدف إلى ميزات الخلوية مما يتيح تحليل حجم الكمي في قرار وحيد الخلية. بعض البرامج المفتوحة المصدر مخصصة لنظم الجذور كلها 14 ممتاز لأنظمة أنبوبي الجذرية ذات القطر الصغير على أساس تقريب أن شكلها هو أنبوبي الواقع. ومع ذلك، بعض الأعمال مع الصور 2D وغير قادرين على التعامل مع 3D مداخن 14. وعلاوة على ذلك، قد لا يكون شكل تقريبي أنبوبي صالح عندما نظم الجذور مع السطوح الخشنة وأشكال غير موحدة، مثل تلك الأشجار، ودراستها. وثمة نهج آخر 15 يستخدم ثنائي الأبعاد (2D) تسلسل صورة التناوب التحايل مبتكر عشرونحتاج إلى لماسح التصوير المقطعي مكلفة. فهو يقيس والسجلات ويعرض الجذر أطوال النظام. البرنامج اختبرناها من تلك الوحيد المتاح تجاريا 16-18. واحد لا يبدو أن تكون قادرة على التعامل مع صورة 3D مداخن 16، والثاني هو مساحة الورقة والجذر قياس طول أداة 17، بينما يستند الثالث على تحليل اللون 18. وبناء على هذه الدراسة، فإننا نقترح أن الخيار تقدر بثمن يقارب السطح وحجم الجذر بغض النظر عن شكله من بيانات التصوير المقطعي 3D هو مرغوب فيه.
بناء على RooTrak متاحة بحرية ويماغيج، وقد وضعنا برنامجا اسمه imeshJ (انظر الرمز الإضافي ملف) الذي يعالج على شبكة isosurface (سطح ملف المجسمة) التي تم إنشاؤها من البيانات الجذر مجزأة، وبحساب حجم ومساحة السطح من الجذر إجراء الحسابات الهندسية بسيطة على شبكة بيانات مؤشر مثلث. نحن هنا الإبلاغ عن الأسلوب الذي يجمع بين استخدام التصوير XCT،إعادة بناء البيانات والتصور (برنامج CT برو 3D وVG ستوديو)، وتجزئة من جذر عينة من التربة في بيانات 3D (مفتوح المصدر يماغيج البرمجيات وRooTrak)، واستخراج المعلومات السطحية وحجم من شبكة الثلاثي (يماغيج ورمز imeshJ الكمبيوتر).
Protocol
Representative Results
Discussion
مزيج من الأشعة السينية التصوير المقطعي والعديد من البرامج المفتوحة المصدر ثبت أن تكون تركيبة قوية لعينات جذور النباتات الصورة، والبيانات جزء الجذر، وnoninvasively استخراج المعلومات الكمية (مساحة السطح والحجم) من البيانات 3D. لدينا القدرة على تصور وقياس ملامح يقتصر دائما د…
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
- McKenzie, B. M. The Rhizosphere: An Ecological Perspective. Eur. J. Soil Sci. 59 (2), 416-417 (2008).
- Farrar, J., Hawes, M., Jones, D., Lindow, S. How roots control the flux of carbon to the rhizosphere. Ecology. 84 (4), 827-837 (2003).
- Gregory, P. J. Roots rhizosphere and soil: the route to a better understanding of soil science?. Eur. J. Soil Sci. 57 (1), 2-12 (2006).
- Philippot, L., Raaijmakers, J. M., Lemanceau, P., van der Putten, W. H. Going back to the roots: the microbial ecology of the rhizosphere. Nat. Rev. Microbiol. 11 (11), 789-799 (2013).
- Gregory, P. J., Hutchison, D. J., Read, D. B., Jenneson, P. M., Gilboy, W. B., Morton, E. J. Non-invasive imaging of roots with high resolution X-ray micro-tomography. Plant and Soil. 255 (1), 351-359 (2003).
- Mairhofer, S., et al. RooTrak: Automated Recovery of Three-Dimensional Plant Root Architecture in Soil from X-Ray Microcomputed Tomography Images Using Visual Tracking. Plant Physiol. 158 (2), 561-569 (2012).
- Anderson, S. H., Hopmans, J. W. . Soil-Water-Root Processes: Advances in Tomography and Imaging. , (2013).
- Mairhofer, S., et al. Recovering complete plant root system architectures from soil via X-ray mu-Computed Tomography. Plant Methods. 9, 8 (2013).
- Lorensen, W. E., Cline, H. E. Marching cubes: a high resolution 3D surface construction algorithm. Comput. Graph. 21 (4), 163-169 (1987).
- Lobet, G., Draye, X., Perilleux, C. An online database for plant image analysis software tools. Plant Methods. 9 (38), (2013).
- Schmidt, T., et al. The iRoCS Toolbox – 3D analysis of the plant root apical meristem at cellular resolution. Plant J. 77 (5), 806-814 (2014).
- Galkovskyi, T., et al. GiA Roots: software for the high throughput analysis of plant root system architecture. BMC Plant Biol. 12, 116 (2012).
- Clark, R., et al. 3-Dimensional Root Phenotyping with a Novel Imaging and Software Platform. Plant Physiol. 156, 455-465 (2011).
- . RootSnap! Available from: https://www.cid-inc.com (2013)
- Arsenault, J. L., Pouleur, S., Messier, C., Guay, R. WinRHIZO™ a root-measuring system with a unique overlap correction method. HortSci. 30, 906-906 (1995).
