Het halen van Metrics voor Driedimensionale Root Systems: Volume en Surface Analysis van In-bodem X-ray Computed Tomography Gegevens

Wortels, als onderdeel van de rhizosfeer ^2-5, vormen een "onzichtbare" deel van plantenbiologie omdat bodem bemoeilijkt beeld wortels niet-invasief ^{6, 7.} Echter bestuderen wortelgroei en interactie in het bodemmilieu is cruciaal inzicht root / plantengroei en nutriënten cycli, die op hun beurt van invloed zijn bebossing, voedselzekerheid, en het klimaat. X-ray computertomografie (XCT) heeft zich bewezen als een waardevol instrument voor niet-invasieve beeldvorming van plantenwortels monsters in hun lokale omgeving ⁸ zijn. Om de ontwikkeling van de wortels en dimensionele veranderingen onder verschillende omstandigheden te meten, en in staat zijn om gegevens uit verschillende datasets / exemplaren te vergelijken, moet men kwantitatieve informatie uit de tomografie gegevens kan opvragen. Segmentatie van de wortel gegevens van die van de omringende grond, dat wil zeggen de isolatie beeld de wortel van alles heen (inclusief, bijvoorbeeld een naburige plant) is een belangrijke stap voor accusize analyse tarief kan worden gedaan. Echter, een eenvoudige drempelwaarde aanpak is vaak niet haalbaar voor root data. De uitdagingen in verband met beeldvorming plantenwortels in de bodem omvatten variaties in de X-ray verzwakkingseigenschappen van het wortelmateriaal en de overlap in dempingswaarden tussen wortels en bodem door water en organisch materiaal. Deze kwesties zijn prachtig onlangs aangepakt door Mairhofer et al. in hun visuele tracking tool RooTrak ^{7, 9.} De volgende stap na een succesvolle segmentatie is de nauwkeurige bepaling van de root volume en de oppervlakte. Het volume kan worden geschat door het tellen van het aantal voxels en te vermenigvuldigen met de voxels 'size blokjes zoals vóór ^7. Voor een meer nauwkeurige bepaling van wortel oppervlakte en volume, kunnen de isosurface van de gesegmenteerde wortelstelsel worden vertegenwoordigd door een netwerk van driehoeken, met behulp van een algoritme bekend als Marching Cubes ^10. De open source ImageJ ¹¹ kan worden gebruikt om e benaderene root volume op basis van de Marching Cubes algoritme. Voor zover ons bekend, slechts een beperkt aantal open-source software gewijd aan de berekening van tomografie op basis van volume / oppervlak gegevens voor root specimens aan de centimeter bereik en vooral is momenteel beschikbaar ^12. Een open-source software hebben we gekeken naar ¹³ richt zich op de wortelgroei en is gericht op mobiele features waardoor kwantitatieve volume analyse op single-cell resolutie. Een aantal open-source software gewijd aan het hele wortelstelsel ¹⁴ is uitstekend geschikt voor kleine diameter buisvormige root-systemen op basis van de onderlinge dat hun vorm is eigenlijk buisvormig. Sommige werken met 2D beelden zijn en niet kunnen verwerken 3D stapels ^14. Bovendien kan de buisvorm onderlinge ongeldig wanneer wortelsystemen met ruwe oppervlakken en niet-uniforme vormen, zoals bomen, bestudeerd. Een andere benadering ¹⁵ maakt gebruik van tweedimensionale (2D) image sequenties rotatie innovatief omzeilen the nodig heeft voor een dure CT-scanner. Het meet, records en displays wortelstelsel lengtes. De software die we hebben getest uit die alleen in de handel verkrijgbaar ^16-18; men niet kunnen verwerken 3D beeld stapels ^16, de tweede is een bladoppervlak en wortellengte meetinstrument ^17, terwijl de derde is gebaseerd op kleuranalyse ^18. Op basis van dit onderzoek, stellen we voor dat een kosteloze optie die het oppervlak en het volume van de wortel benadert, ongeacht de vorm van 3D tomografie data gewenst is.

Voortbouwend op de vrij beschikbare RooTrak en ImageJ, hebben we een programma, genaamd imeshJ ontwikkeld (zie Aanvullende Code File), die een isosurface mesh (oppervlakte stereolithografie file) gegenereerd uit gesegmenteerde wortel data verwerkt, en berekent het volume en de oppervlakte van de wortel van het doen van eenvoudige geometrische berekeningen op de maas driehoek index data. Hier beschrijven we een werkwijze die het gebruik van XCT-beelden worden gecombineerd,data reconstructie en visualisatie (software CT Pro 3D en VG Studio), segmentatie van de wortel van het monster uit de bodem in de 3D-data (open-source software ImageJ en RooTrak), en extractie van het oppervlak en het volume van informatie uit een driehoekige mesh (ImageJ en de computer code imeshJ).