3 차원 루트 시스템에 대한 통계를 추출 : 볼륨 및 표면 분석에-토양 X 선 컴퓨터 단층 촬영 데이터에서
Summary
– 토양에 취득한 X 선 단층 촬영 데이터로부터 영상 및 정량 루트 구조 정보를 획득하기위한 방법이 제시된다.
Abstract
식물 뿌리는 기후 변화와 작물 관리에 중요한 의미가있는 중요한 근권에서 발생하는 식물 토양 미생물의 상호 작용의 역할뿐만 아니라 프로세스를 재생할 수 있습니다. 그 나라의 환경에서 뿌리의 양이 크기 정보는 뿌리 성장과 식물을 포함하는 환경 프로세스를 연구하기위한 귀중한입니다. X 선 컴퓨터 단층 촬영 (XCT)는 현장에서 루트 검색 및 분석을위한 효과적인 도구로 증명되었다. 우리는 3 차원 단층 촬영 데이터와 관계없이 그 형상의 루트면 및 볼륨에 가까운 비용이없는 효율적인 툴을 개발하는 목적. 프레리의 dropseed의 루트 구조는 (Sporobolus의 heterolepis) 시편 XCT를 사용하여 몇 군데 있었다. 루트 재구성하고, 기본 루트 라이센스 구조는 오픈 소스 소프트웨어의 조합을 사용하여 데이터로부터 추출 하였다. 있는 isosurface 다각형 메쉬는 다음 분석의 편의를 위해 만들어졌습니다. 우리는 t을 개발했다그 메시의 루트 볼륨과 표면적을 계산 한 MATLAB 생성 imeshJ 애플리케이션을 독립. imeshJ의 출력면 (mm 2) 영역 (mm 3) 볼륨이다. 정량적 루트 분석 이미징 도구의 독특한 조합을 이용하는 과정은 설명한다. 증명 XCT의 조합 오픈 소스 소프트웨어는 비 침습적 영상 식물 뿌리 샘플, 세그먼트 루트 데이터, 그리고 3 차원 데이터에서 정량적 정보를 추출 할 수있는 강력한 조합이 될 수 있습니다. 3D 데이터를 처리하는이 방법은 세그멘테이션 발생할 유사 X 선 감쇄 컴포넌트 간의 연결 및 어려움이있을 다른 물질 / 시료 시스템에 적용되어야한다.
Introduction
토양 비 침습적 화상 뿌리 (6, 7)에 어렵게 때문에 뿌리가 근권 2-5의 일부로 식물학의 "보이지 않는"부분을 나타낸다. 그러나, 토양 환경 내 뿌리 성장 및 상호 작용을 연구하면 이해에 중요 루트 / 식물의 성장과 차례로 조림, 식량 안보, 기후에 영향을 미치는 영양소 순환. X 선 단층 촬영 (XCT)는 로컬 환경 8 식물 뿌리 샘플 비침 이미징을위한 가치있는 도구임이 입증되었다. 다른 조건 루트 개발 및 치수 변화를 측정하고, 서로 다른 데이터 세트 / 데이터 시험편을 비교할 수 있도록하기 위해, 하나의 단층 촬영 데이터로부터 정량적 정보를 추출 할 필요가있다. 주변 토양의 뿌리로부터 데이터의 분할, 즉 다른 모든 주위에서 루트 이미지의 분리 (을 포함하여, 예를 들어 인접하는 식물) ACCU 전에 중요한 단계속도 크기 분석을 수행 할 수있다. 그러나, 단순한 임계 접근 루트 데이터를 종종 실행할 수 없게된다. 토양 촬상 식물의 뿌리와 관련된 문제는 루트 재료의 X 선 감쇠 특성의 변동, 및 물과 유기 물질에 의한 뿌리와 토양 사이 감쇄 값의 중복을 포함한다. 이러한 문제는 멋지게 Mairhofer 등의 알에 의해 최근에 해결되었습니다. 시각적 추적 도구 RooTrak 7, 9. 성공적인 분할 후의 다음 단계는 루트 볼륨 표면적의 정확한 결정이다. 부피는 복셀의 개수를 카운트 7 전에 도시 된 바와 같이, 복셀 '크기의 제곱을 곱하여 추정 될 수있다. 루트 표면적과 체적에 대한보다 정확한 결정을 위해, 분할 된 루트 시스템이있는 isosurface 마칭 큐브 (10)으로 알려진 알고리즘을 사용하여, 삼각형 메쉬로 표현 될 수있다. 오픈 소스 ImageJ에 11 번째의 근사치를 이용할 수있다행진 큐브 알고리즘을 기반으로 전자 루트 볼륨. 우리가 아는 한, 오픈 소스 소프트웨어의 제한된 수는 센티미터 범위에서 루트 시편 단층 촬영 기반 볼륨 / 표면 데이터를 계산에 전념 이상 현재 12 사용할 수 있습니다. 우리는 (13)에보고 한 오픈 소스 소프트웨어 뿌리 성장에 초점을 단일 셀 해상도 정량 부피 분석을 가능 셀룰러 기능을 겨냥한다. 전체 루트 시스템 (14)에 전념 일부 오픈 소스 소프트웨어는 모양이 실제로 관상이라는 근사치를 기반으로 작은 직경의 관 루트 시스템을위한 우수하다. 그러나 2D 이미지와 함께 몇 가지 작업 및 3D 14 스택을 처리 할 수 없습니다. 이러한 나무의 것과 같은 거친 표면과 균일하지 않은 모양과 루트 시스템, 연구 할 때 또한, 관 모양의 근사치가 유효하지 않을 수 있습니다. 또 다른 방법 (15)은 제 혁신적 우회 2 차원 회전 이미지 시퀀스를 사용전자 고가의 CT 스캐너를 위해 필요합니다. 또한, 측정 기록, 표시 시스템 길이를 뿌리. 우리는 상업적으로 16 ~ 18 사용할 수 만에서 테스트 한 소프트웨어; 하나는 제는 색상 분석 (18)에 기초하는 동안 두번째, 잎 면적 루트 길이 측정 도구 17, 3D 이미지를 처리 할 수 있도록 스택 (16)이 표시되지 않는다. 이 조사를 바탕으로 3 차원 단층 촬영 데이터와 관계없이 그 형상의 루트면 및 볼륨에 가까운 무료의 옵션이 바람직하다고 제안한다.
자유롭게 사용할 RooTrak 및 ImageJ에 바탕, 우리는 분할 루트 데이터로부터 생성 된있는 isosurface 메쉬 (표면 조형 파일)을 처리하는 (기업 코드 파일 참조) imeshJ라는 프로그램을 개발하고,하여 루트의 부피와 표면적을 계산 한 메쉬 삼각형 인덱스 데이터에 단순한 기하학적 계산을 수행. 여기에서는, XCT 영상의 사용을 결합하는 방법을보고삼각형 메쉬 데이터 재구성 시각화 (소프트웨어 CT 프로 3D 및 VG 스튜디오), 3 차원 데이터 (개방 소스 소프트웨어 ImageJ에 및 RooTrak)에서 토양 시료의 루트 세그먼트와 표면 및 체적 정보 추출 (ImageJ에 컴퓨터 코드 imeshJ).
Protocol
Representative Results
Discussion
X 선 컴퓨터 단층 촬영 및 입증 여러 오픈 소스 프로그램의 조합은 비 침습적 영상 식물 뿌리 샘플, 세그먼트 루트 데이터, 그리고 3 차원 데이터에서 정량적 정보 (면적 및 볼륨)를 추출 할 수있는 강력한 조합이 될 수 있습니다. 기능을 시각화하고 측정 할 수있는 능력은 항상 스캔 해상도뿐만 아니라 의해 RooTrak 소프트웨어의 한계에 의해 제한된다. 그러나, 스캔 해상도 본 연구의 샘플의 기능의 ?…
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).
