Summary

La extracción de las métricas para los sistemas de raíces de tres dimensiones: volumen y de superficie Análisis de In-suelo de rayos X de tomografía computarizada de datos

Published: April 26, 2016
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Summary

Se presenta una metodología para obtener información de la estructura de la raíz visual y cuantitativo a partir computarizada de rayos X de tomografía de datos adquiridos en el suelo.

Abstract

raíces de las plantas juegan un papel crítico en las interacciones planta-suelo-microorganismo que se producen en la rizosfera, así como los procesos con implicaciones importantes para el cambio climático y el manejo del cultivo. información cuantitativa sobre las raíces en su ambiente nativo es muy valiosa para el estudio de crecimiento de las raíces y los procesos ambientales que involucran plantas. De rayos X de tomografía computarizada (XCT) ha demostrado ser una herramienta eficaz para la exploración in situ y el análisis de la raíz. El objetivo fue desarrollar una herramienta sin costo y eficiente que se aproxima a la superficie y el volumen de la raíz, independientemente de su forma a partir de datos tridimensional-(3D) de tomografía. La estructura de la raíz de un dropseed Prairie (heterolepis Sporobolus) espécimen fue fotografiada usando XCT. La raíz se reconstruyó, y la estructura de la raíz primaria se extrae de los datos usando una combinación de software con licencia y de código abierto. Una malla poligonal isosuperficie fue creado entonces para facilitar el análisis. Hemos desarrollado tél independiente Aplicación imeshJ, generado en MATLAB 1, para calcular el volumen de la raíz y la superficie de la malla. Las salidas de imeshJ son área superficial (en mm 2) y el volumen (en mm 3). El proceso, que utiliza una combinación única de herramientas de formación de imágenes para el análisis cuantitativo de la raíz, se describe. Una combinación de XCT y el software de código abierto demostrado ser una poderosa combinación para no invasiva muestras de raíces de plantas de imagen, datos de raíz segmento, y extraer información cuantitativa de los datos 3D. Esta metodología de procesamiento de datos en 3D debe ser aplicable a otros sistemas de material / muestra donde hay conectividad entre los componentes de la atenuación de los rayos X y similares surgen dificultades con la segmentación.

Introduction

Roots, como parte de la rizosfera 2-5, representan una parte "invisible" de la biología vegetal desde el suelo hace que sea difícil a las raíces de la imagen no invasiva 6, 7. Sin embargo, el estudio de crecimiento de las raíces y la interacción dentro del ambiente del suelo es crítico para la comprensión root / crecimiento de las plantas y el ciclo de nutrientes, que a su vez afecta a la forestación, la seguridad alimentaria, y el clima. De rayos X de tomografía computarizada (XCT) ha demostrado ser una herramienta valiosa para la formación de imágenes no invasiva de muestras de raíces de plantas en su entorno local 8. Con el fin de medir el desarrollo de las raíces y los cambios dimensionales en diferentes condiciones, y poder comparar datos de diferentes conjuntos de datos / muestras, hay que extraer información cuantitativa de los datos de la tomografía. La segmentación de los datos de la raíz de la del suelo circundante, es decir, el aislamiento de la imagen raíz de todo lo demás alrededor de ella (incluyendo, por ejemplo, una planta vecina) es un paso crítico antes de ACCUanálisis de tamaño de tasa se puede hacer. Sin embargo, un enfoque de umbral simple es a menudo inviable para los datos del directorio raíz. Los retos asociados con raíces de las plantas de imágenes en el suelo incluyen las variaciones en las propiedades de atenuación de rayos X del material de raíz, y la coincidencia en los valores de atenuación entre la raíz y el suelo causada por el agua y la materia orgánica. Estos temas se han tratado magníficamente recientemente por Mairhofer et al. en su herramienta de seguimiento visual RooTrak 7, 9. El siguiente paso después de una segmentación exitosa es la determinación exacta del volumen raíz y superficie. El volumen puede ser estimado contando el número de voxels y multiplicando por cubos tamaño de los voxels 'como se muestra antes de 7. Para una determinación más precisa de la zona de superficie de la raíz y el volumen, la isosuperficie del sistema radicular segmentado puede ser representado por una malla de triángulos, usando un algoritmo conocido como Marching Cubes 10. La fuente abierta ImageJ 11 puede emplearse para aproximar THvolumen raíz e basado en el algoritmo de Marching Cubes. A lo mejor de nuestro conocimiento, sólo un número limitado de software de código abierto dedicado a calcular los datos de volumen / superficie basada en tomografía de muestras de raíces en el rango centímetro y actualmente está disponible por encima de 12. Un software de código abierto que nos aguarda a 13 se centra en el crecimiento de raíces y está dirigido a las funciones celulares que permiten el análisis cuantitativo del volumen en la resolución de una sola célula. Algunos programas de software de código abierto dedicado a los sistemas de raíces enteras 14 es excelente para sistemas de raíces tubular de pequeño diámetro en base a la aproximación de que su forma es en realidad tubular. Sin embargo, algunos trabajos con imágenes 2D y son incapaces de manejar 3D apila 14. Por otra parte, la aproximación forma tubular puede no ser válido cuando se estudian sistemas de raíces con superficies rugosas y formas no uniformes, tales como los de los árboles. 15 Otro enfoque utiliza dos dimensiones secuencias de imágenes rotacionales (2D) de elusión de manera innovadora THe la necesidad de un escáner CT costoso. Mide, registra y muestra erradicar longitudes del sistema. El software que hemos probado de los que sólo están disponibles comercialmente 16-18; uno no parece ser capaz de manejar la imagen 3D pilas 16, el segundo es un área de la hoja y la medición de la longitud de la raíz de herramienta 17, mientras que el tercero se basa en el análisis del color 18. Sobre la base de este estudio, se sugiere que una opción sin costo que se aproxima a la superficie y el volumen de la raíz, independientemente de su forma a partir de datos de tomografía 3D es deseable.

Sobre la base del RooTrak libremente disponible y ImageJ, hemos desarrollado un programa, llamado imeshJ (ver archivo de código complementario) que procesa una malla isosuperficie (archivo de estereolitografía superficie) generado a partir de datos del directorio raíz segmentados, y calcula el volumen y el área superficial de la raíz por haciendo cálculos geométricos sencillos en los datos del índice de triángulo de la malla. Aquí mostramos un método que combina el uso de imágenes XCT,la reconstrucción y visualización de datos (software CT Pro 3D y VG Studio), la segmentación de la raíz de la muestra de suelo en los datos en 3D (software de fuente abierta ImageJ y RooTrak), y la extracción de la información de la superficie y el volumen de una malla triangular (ImageJ y el código imeshJ ordenador).

Protocol

Precaución: El funcionamiento de un escáner de tomografía de rayos X requiere tanto la formación de radiación en general, y la formación de la seguridad radiológica específica del instrumento. Todos los procedimientos correspondientes pertinentes al laboratorio del investigador deben ser seguidas. Imaging 1. Raíz Nota: Este paso se describe la obtención de imágenes de un espécimen de hierba mantenidas en su suelo original en una maceta de plástico tubular (un tubo de plástico con un diámetro…

Representative Results

La muestra consta de dos tallos de la hierba nativa de la pradera dropseed (Sporobolus heterolepis) y el suelo original alrededor de ella fue tomado de una zona residencial y se coloca en un pequeño recipiente en forma de tubo se ve en la Figura 1. El tamaño del voxel datos reconstruidos fue de aproximadamente 31 micras x 31 micras x 31 micras. El archivo de volumen reconstruido se utiliza para crear una pila de imágenes desde una orientación seleccionada (v…

Discussion

Una combinación de computarizada de rayos X de tomografía y varios programas de código abierto demostrado ser una poderosa combinación para no invasiva muestras de raíces de plantas de imagen, datos de raíz segmento, y extraer información cuantitativa (superficie y volumen) a partir de los datos 3D. Nuestra capacidad de visualizar y medir características es siempre limitado por la resolución de escaneado, así como por las limitaciones del software RooTrak. Sin embargo, la resolución de escaneado fue suficient…

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

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Cite This Article
Suresh, N., Stephens, S. A., Adams, L., Beck, A. N., McKinney, A. L., Varga, T. Extracting Metrics for Three-dimensional Root Systems: Volume and Surface Analysis from In-soil X-ray Computed Tomography Data. J. Vis. Exp. (110), e53788, doi:10.3791/53788 (2016).

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