سير عمل جديد لأخذ العينات ورقمنة مراكز الزيادة
Summary
نقدم بروتوكولا لاستخدام حوامل مطبوعة 3D لإصلاح نوى الزيادة في الحقل دون الحاجة إلى تفريغها ولصقها على حوامل خشبية. يسمح حامل GSC الجديد بوضع النوى في ميكروتوم أساسي لقطع سطحها ونقلها مباشرة إلى التقاط الصور الرقمية.
Abstract
نقدم هنا سير عمل جديد من أخذ نوى الزيادة في الحقل ، وتخزينها ونقلها إلى المختبر ، إلى رقمنة حلقات الأشجار الخاصة بهم لمزيد من التحليلات للتحليلات الشجرية اللاحقة. يتضمن الإجراء استخدام ناقلات عينات جديدة لنوى الزيادة. تم تصميم حوامل Gärtner Schneider Core (GSC) الجديدة هذه باستخدام برنامج نمذجة ثلاثي الأبعاد (3D) وطباعتها أخيرا باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد. باستخدام هذه الحوامل من البداية في الحقل ، يمكن قطع النوى مباشرة باستخدام ميكروتوم أساسي ، ويمكن بعد ذلك رقمنة سطحها دون مزيد من إعادة الترتيب باستخدام نظام جديد لالتقاط الصور عالي الدقة. وبالتالي فهي متاحة للتحليل المباشر. يسمح هذا النظام برقمنة حلقات الأشجار من النوى والأقراص ، وكذلك التقاط الصور من المقاطع الدقيقة الطويلة (حتى 40 سم) باستخدام الضوء المرسل. هذه الميزة ذات أهمية خاصة للتطبيقات الشجرية والجيومورفية لتحديد بداية أي اضطراب في المقاطع الدقيقة المقطوعة بميكروتوم أساسي.
Introduction
تم تقديم مبدأ تأريخ حلقات الأشجار من خلال تطبيق تقنية التأريخ المتقاطع لأول مرة من قبل عالم الغابات النمساوي آرثر فرايهر فون سيكندورف-جودنت في عام 18811. في النصف الأولمن القرن 20 ، تم إعادة اختراع هذه التقنية من قبل “والد علم التسلسل الزمني” أندرو إليكوت دوغلاس ، الذي طبقها بشكل مكثف في تأريخ المواقع الأثرية والأشجار الحية2.
في الوقت الحاضر ، يتم تعريف علم البيئة الشجرية ، وهو موضوع البحث الذي يعمل كنوع من الإطار البيئي لعلم التغصن الزمني ، على أنه دراسة حلقات الأشجار وتغيرات نموها المتأصلة الناجمة عن التغيرات البيئية والبيئية في الوقت3. في البحوث الشجرية الإيكولوجية ، يتم استخدام العديد من الخصائص الأخرى غير اختلافات عرض الحلقة ، مثل النظائر المستقرة ، أو كثافة الخشب المتأخرة ، أو خصائص الخلية داخل الحلقات المفردة ، لربط هذه البيانات بالمعلمات البيئية لفهم تأثير الظروف البيئية على نمو الأشجار بمرور الوقت4. من خلال التكامل المستمر للدراسات التشريحية الخشبية في الأبحاث الشجرية ، تطورت أبحاث علم البيئة الشجرية في العقد الماضي وهي أكثر من أي وقت مضى العمود الفقري في إعادة بناء الظروف المناخية السابقة5،6،7،8.
على الرغم من أن التطور التقني فيما يتعلق بإعداد العينات وتحليلها ، وخاصة في تشريح الخشب ، كان قويا في العقد الماضي9،10،11،12،13،14 ، لم يكن هناك أي تقدم حقيقي تقريبا فيما يتعلق بتبسيط تقنيات أخذ العينات15. على الرغم من تكنولوجيا الموجات الصوتية16 ، على سبيل المثال ، حتى الوقت الحاضر لا توجد طريقة “غير مدمرة” موثوقة لاستخراج خصائص الحلقات من الأشجار.
وبالتالي ، لا تزال جميع الدراسات المتعلقة بحلقات الأشجار تعتمد على عينات خشبية مأخوذة من الأشجار أو الشجيرات المأخوذة في المواقع ذات الأهمية. عند التركيز على الأشجار ، فإن الإجراء القياسي هو أخذ نوى الزيادة من السيقان15.
غالبا ما يتم التعبير عن أخذ النوى باستخدام نوى الزيادة على أنها تقنية “غير مدمرة”17. مقارنة بأخذ الأقراص من السيقان ، هذا صحيح. ومع ذلك ، فإن تقنية أخذ العينات هذه تسبب ثقبا في الجذع يبلغ قطره حوالي 1 سم ، ويصل في الغالب إلى ما وراء لب الساق3. الشجرة قادرة على إغلاق هذا الجرح من تلقاء نفسها ، لكن هذه العملية تسبب تفاعلات نمو ، وتغيير البنية الشائعة في المنطقة المجاورة للجرح بالإضافة إلى تغير لون الخشب الموجود حول الحفرة بشكل أو بآخر بسبب الأمراض الفطرية18,19. لذلك ، من الأفضل أن يطلق عليه “الحد الأدنى من التدخل الجراحي” بدلا من “غير المدمر”.
تطورت تقنية أخذ نوى الزيادة مؤخرا من خلال القدرة على استخدام المثاقب الميكانيكية ، مما أدى إلى عينات عالية الجودة ، خاصة بالنسبة للتحليلات التشريحية للخشب15. يوفر هذا الإجراء أيضا الكثير من الوقت في الميدان مقارنة بالحفر اليدوي. ما لم يتغير هو إجراء التعامل مع النوى ، بدءا من الاستخراج من الشجرة إلى وضع العلامات ، والتخزين للنقل ، وإعدادها في المختبر لمختلف تقنيات التحليل الممكنة.
لا تزال هناك حاجة إلى تعبئة النوى في حاويات ثابتة ، مثل القش المصنوع من البلاستيك أو الورق ، لمنعها من الكسر أثناء النقل. يتم وضع العلامات على النوى مباشرة على القلب باستخدام أقلام رصاص ناعمة أو (بشكل متكرر) على السطح الخارجي لكل قشة. عند استخدام الحاويات البلاستيكية ، يجب إخراج النوى بعد وقت قصير لتجنب انتشار الفطريات. لذلك ، يجب إخراج النوى من الحاويات مرة أخرى. لتثبيت النوى ومنعها من الانحناء عند بدء التجفيف ، يجب تثبيت النوى على حامل. يساعد هذا أيضا في إعداد السطح اللاحق لمزيد من التحليلات. عند القيام بذلك ، يجب أيضا نقل الملصقات إلى الحوامل المعنية. الإجراء القياسي هو لصق النوى على حوامل خشبية أو تثبيتها بشريط في رتوش الألواح المموجة. لصقها على حوامل خشبية هو الأسلوب الأكثر استخداما. على الرغم من أن هذا الإجراء مثالي لتثبيت النوى وصنفرتها أو قطعها ، إلا أن له العديد من العيوب فيما يتعلق بالتحليلات الكيميائية والنظيرية وحتى التشريحية للأخشاب. عيب آخر ، على الرغم من الوقت المطلوب ، هو النقل المعرض للخطأ للتسميات لكل نواة إلى الحوامل الجديدة.
في علم التسلسل الزمني الشجري ، تعد قياسات عرض الحلقة كقاعدة للتأريخ الدقيق العمود الفقري لجميع الدراسات الشجرية20. على الرغم من أن العديد من المختبرات لا تزال تعتمد على القياسات اليدوية باستخدام جداول القياس ، على سبيل المثال ، Lintab21 مع مناظير مرفقة ، إلا أن هناك اتجاها لاستخدام الماسحات الضوئية المسطحة لرقمنة الأسطح الأساسية وقياس عرض الحلقة باستخدام برامج مثل CooRecorder22 أو WinDENDRO23. لسوء الحظ ، لا تتمتع هذه الماسحات الضوئية ، على سبيل المثال ، Epson Expression 10000XL المستخدمة على نطاق واسع ، بدقة كافية لتصوير الهياكل بوضوح على أنها قصيبات من الخشب المبكر أو الخشب المتأخر (الشكل 1). لهذا السبب ، فإن الصور الناتجة ليست مناسبة للتعرف على الهياكل الصعبة مثل الحلقات الضيقة جدا أو تقلبات الكثافة ، والتي تعتبر ضرورية لإجراء تأريخ دقيق دون العودة إلى النوى الأصلية باستخدام مناظير24,25.
وبما أن الاستبانة العالية للصور شرط أساسي لا غنى عنه لإجراء تحليلات كافية للصور في علم حلقاتالأشجار 10، فقد تم تطوير نظام جديد لالتقاط الصور في WSL (Skippy؛ https://www.wsl.ch/en/services-produkte/skippy/) لرقمنة حلقات الأشجار على الأسطح الأساسية باستخدام كاميرا رقمية مما يؤدي إلى تقديم صور ذات استبانة أعلى من جميع الماسحات الضوئية المسطحة الموجودة. استند هذا النظام إلى فكرة نظام ATRICS26 ، الذي تم تطويره في عام 2007. في الآونة الأخيرة ، تم تقديم نظام التقاط صور بسيط ولكنه فعال يمكن مقارنته ب Skippy كمجموعة تجميع ذاتي27.
تعد رقمنة حلقات الشجرة ، أي التقاط الصور بالضوء المنعكس ، خطوة مهمة في إنشاء صور عالية الدقة لنوى أو أقراص الزيادة لدعم قياس عرض الحلقة الرقمي الموفر للوقت. يسمح النظام الذي تم تطويره في WSL أيضا بالتقاط الصور من المقاطع الدقيقة الطويلة (حتى 40 سم) باستخدام الضوء المرسل. هذه الميزة الإضافية ، على سبيل المثال ، ذات أهمية للتطبيقات الشجرية لتحديد بداية تفاعل الخشب في المقاطع الدقيقة.
في الدراسة ، نقدم بروتوكولا لتسهيل عملية التعامل مع النوى في الميدان والمختبر. قاعدة التقنية الجديدة المقدمة هي حامل قابل لإعادة الاستخدام. حامل GSC الجديد GärtnerSchneiderCore (GSC) حامل مصمم باستخدام برنامج النمذجة ثلاثية الأبعاد ومطبوع بطابعة ثلاثية الأبعاد. يسمح حامل GSC بالتعامل المباشر مع النوى المأخوذة في الحقل دون إعادة تعبئتها أو إعادة تسميتها. نقدم أيضا نظاما جديدا فعالا لرقمنة الأسطح المعدة للنوى. يمتد هذا البروتوكول إلى الإجراء بأكمله من أخذ النوى في الحقل إلى إعداد العينات ، ورقمنة الأسطح الأساسية للتحليلات اللاحقة ، وتخزينها في النهاية في أرشيف.
Protocol
Representative Results
Discussion
إن إدراج تشريح الخشب في الدراسات البيئية الشجرية فتح هذه الدراسات على نطاق واسع لتحليلات جديدة ومتعمقة للظروف البيئية السابقة28،29،30. كما كثفت هذه التقنيات الجديدة الجهود التحليلية ، أي وقت المختبر اللازم لتوليد البيانات ذات الأهمية. كانت هناك محاولات عديدة لتحسين العمل المخبري وتقليل الوقت اللازم في المختبر فيما يتعلق بالتقنيات التشريحية الخشبية9،12،13،15،30. ولكن لم يتم بذل أي جهد تقريبا لتسهيل الإجراء الشائع للتعامل مع النوى وإعدادها وتخزينها لهذه الدراسات.
توفر الطباعة 3D إمكانيات جديدة في هذا الصدد9. حامل النواة الجديد المطبوع 3D هو المحاولة الأولى لتبسيط هذا الإجراء بأكمله ، مما يجعله أقل استهلاكا للوقت ، ولهذا فهو أكثر كفاءة.
بينما يجب إخراج النوى المخزنة في القش البلاستيكي31,32 أو حاويات مماثلة لمنع الفطريات من التطور من الخارج (وقريبا أيضا من الداخل) من القلب ، يمكن أن تظل النوى المثبتة في حوامل GSC كما هي. حتى هذه النقطة ، يمكن مقارنتها بتخزينها في قش ورقي33.
تصبح الميزة واضحة بمجرد الإجراء الكامل (i) إزالة النوى من القش (أو حاوية أخرى) ، (ii) لصقها على حوامل خشبية أو تثبيتها على أشياء أخرى كدعامات للكابل ، و (iii) العملية التي يحتمل أن تكون عرضة للخطأ لنقل الكود المعني المستخدم لكل نواة لأنه كان معيارا تقريبا لعقود الآن34 ، يصبح غير ضروري.
يسمح الهيكل المفتوح لحامل GSC بتخزين النوى دون التعرض لخطر الإصابة الفطرية ، كما هو الحال عند تخزينها في حاوية بلاستيكية. كما هو موضح أعلاه ، يسمح الحامل أيضا بالتضمين في البارافين لتثبيت الهيكل. ومع ذلك ، لا يمكن مقارنة هذا التضمين “البسيط” بإجراءات التضمين الشائعة باستخدام أشرطة لتضمين العينة في كتلة البارافين كما هو الحال بالنسبة للنوى الصغيرة35. التقنية البسيطة قابلة للمقارنة إلى حد ما مع تطبيق نشا الذرة عند قطع الأقسام الدقيقة36. سوف يعمل على استقرار الخلايا بشكل أفضل ومنعها من الكسر أثناء إجراء القطع ، ولكنه يستغرق وقتا أطول من مجرد إضافة نشا الذرة. لن يؤدي هذا النوع من التضمين إلى استقرار النواة بأكملها كما لو كانت مضمنة في كتلة. إذا تم كسر النواة ، فسوف تنكسر الأقسام أيضا. نظرا لأن حامل GSC يتناسب مع الميكروتوم الأساسي37 ، فإن تحضير السطح لعملية الرقمنة اللاحقة لا يستغرق سوى بضع دقائق.
بالنسبة لعملية رقمنة حلقات الأشجار ، لم يكن تطبيق الماسحات الضوئية المسطحة ، التي تستخدم بشكل متكرر لقياسات الكثافة الزرقاء 38,39 ، مرضيا فيما يتعلق بالمناظر الأكثر تفصيلا لهيكل الحلقة بسبب الجودة المنخفضة إلى حد ما للصور الناتجة. على الرغم من أن حدود الحلقات الشائعة (العريضة) من الصنوبريات كانت مرئية في هذه الصور ، إلا أن الحلقات الضيقة ، أو حتى تقلبات الكثافة ، كان من المستحيل تقريبا تحديدها.
على الرغم من وجود محاولات جديدة رائعة لرقمنة حلقات الأشجار بدقة عالية ، مثل الأشعة السينية CT40 ، إلا أن استخدام الكاميرات الرقمية ذات الدقة العالية لا يزال الطريقة الأكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة لإنتاج صور عالية الجودة لمزيد من القياسات.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يود المؤلفون أن يشكروا البروفيسور جوسي غريسنغر على دعمه لفكرة إنشاء المالك الجديد.
Materials
| Core-microtome | WSL | https://www.wsl.ch/en/services-produkte/microtomes/ | Microtome to cut micro sections from increment cores |
| Epson Expression 10000XL | EPSON | https://epson.com/Support/Scanners/Expression-Series/Epson-Expression-10000XL—Graphic-Arts/s/SPT_E10000XL-GA | flatbed scanner |
| GSC holder | WSL | in-house | 3D printed mount to fix cores for transport, preparation, analyses, and storage |
| Skippy image capturing system | WSL | https://www.wsl.ch/en/services-produkte/skippy/) | Image capturing system developed at WSL equiped with a 61 MP camera (Sony Alpha 7R IV and Sony FE 90mm f/2.8 Macro lens) |
References
- Wimmer, R. Arthur Freiherr von Seckendorff-Gudent and the early history of tree-ring crossdating. Dendrochronologia. 19 (1), 153-158 (2001).
- McGraw, D. J. Andrew Ellicott Douglass and the giant sequoias in the founding of dendrochronology. Tree-Ring Res. 59 (1), 21-27 (2003).
- Schweingruber, F. H. . Tree Rings and Environment: Dendroecology. , (1996).
- Amoroso, M. M., Daniels, L. D., Baker, P. J., Camarero, J. J. . Dendroecology: Tree-Ring Analyses Applied to Ecological Studies (Vol.231). 231, (2017).
- Lopez-Saez, J., Corona, C., Von Arx, G., Fonti, P., Slamova, L., Stoffel, M. Tree-ring anatomy of Pinus cembra trees opens new avenues for climate reconstructions in the European Alps. Sci Total Environ. 855, 158605 (2023).
- Björklund, J., et al. Fennoscandian tree-ring anatomy shows a warmer modern than medieval climate. Nature. 620 (7972), 97-103 (2023).
- Camarero, J. J., Colangelo, M., Rodriguez-Gonzalez, P. M. Tree growth, wood anatomy and carbon and oxygen isotopes responses to drought in Mediterranean riparian forests. Forest Ecol Manag. 529, 120710 (2023).
- Huang, R., Xu, C., Grießinger, J., Feng, X., Zhu, H., Bräuning, A. Rising utilization of stable isotopes in tree rings for climate change and forest ecology. JForestry Res. 35, 13 (2024).
- Schneider, L., Gärtner, H. Additive manufacturing for lab applications in environmental sciences: pushing the boundaries of rapid prototyping. Dendrochronologia. 76, 126015 (2022).
- Björklund, J., et al. Scientific merits and analytical challenges of tree-ring densitometry. Rev Geophys. 57, 1224-1264 (2019).
- Katzenmaier, M., Garnot, V. S. F., Björklund, J., Schneider, L., Wegner, J. D., von Arx, G. Towards ROXAS AI: Deep learning for faster and more accurate conifer cell analysis. Dendrochronologia. 81, 126126 (2023).
- Gärtner, H., Lucchinetti, S., Schweingruber, F. H. A new sledge microtome to combine wood anatomy and tree-ring ecology. IAWA J. 36 (4), 452-459 (2015).
- Gärtner, H., et al. A technical perspective in modern tree-ring research – how to overcome dendroecological and wood anatomical challenges. J Vis Exp. 97 (e52337), (2015).
- Gärtner, H., Banzer, L., Schneider, L., Schweingruber, F. H., Bast, A. Preparing micro sections of entire (dry) conifer increment cores for wood anatomical time-series analyses. Dendrochronologia. 34, 19-23 (2015).
- Gärtner, H., Schneider, L., Lucchinetti, S., Cherubini, P. Advanced workflow for taking high-quality increment cores – new techniques and devices. J Vis Exp. (193), e64747 (2023).
- Wang, X. Acoustic measurements on trees and logs: a review and analysis. Wood Sci Technol. 47, 965-975 (2013).
- Steenkamp, C. J., Van Rooyen, M. W., Van Rooyen, N. A non-destructive sampling method for dendrochronology in hardwood species. South Afr For J. 186, 5-7 (1999).
- Toole, E. R., Gammage, J. L. Damage from increment borings in bottomland hardwoods. J For. 57, 909-911 (1959).
- Grissino-Mayer, H. D. A manual and tutorial for the proper use of an increment borer. Tree-Ring Res. 59 (2), 63-79 (2003).
- Griffin, D., et al. Gigapixel macro photography of tree rings. Tree-Ring Res. 77, 86-94 (2021).
- . LINTAB-Precision ring by ring Available from: https://rinntech.info/products/lintab/ (2003)
- . Regent Instruments Available from: https://regentinstruments.com (2024)
- De Micco, V., et al. Intra-annual density fluctuations in tree rings: How, when, where, and why. IAWA J. 37, 232-259 (2016).
- Edwards, J., et al. Intra-annual climate anomalies in northwestern North America following the 1783-1784 CE Laki eruption. J Geophys Res Atmos. 126, e2020JD033544 (2020).
- Levanič, T. ATRICS-A new system for image acquisition in dendrochronology. Tree-Ring Res. 63 (2), 117-122 (2007).
- García-Hidalgo, M., et al. CaptuRING: A do-it-yourself tool for wood sample digitization. Methods Ecol Evol. 13 (6), 1185-1191 (2022).
- Rodriguez, D. R. O., et al. Exploring wood anatomy, density and chemistry profiles to understand the tree-ring formation in Amazonian tree species. Dendrochronologia. 71, 125915 (2022).
- Gärtner, H., Farahat, E. Cambial activity of Moringa peregrina (Forssk.) Fiori in arid environments. Front Plant Sci. 12, 760002 (2021).
- Gärtner, H., Lucchinetti, S., Schweingruber, F. H. New perspectives for wood anatomical analysis in dendrosciences: the GSL1-microtome. Dendrochronologia. 32, 47-51 (2014).
- Maeglin, R. R. . Increment Cores: How to Collect, Handle, and Use Them (Vol. 25). , (1979).
- Agee, J. K., Huff, M. H. . The Care and Feeding of Increment Borers. , (1986).
- Phipps, R. L., , . . Collecting, Preparing, Crossdating, and Measuring Tree Increment Cores (No. 85-4148). , (1985).
- Cole, D. M. . Protection and Storing Increment Cores in Plastic Straws. 216, (1977).
- Rossi, S., Anfodillo, T., Menardi, R. Trephor: a new tool for sampling microcores from tree stems. IAWA J. 27 (1), 89-97 (2006).
- Schneider, L., Gärtner, H. The advantage of using a starch based non-Newtonian fluid to prepare micro sections. Dendrochronologia. 31, 175-178 (2013).
- Gärtner, H., Nievergelt, D. The core-microtome: A new tool for surface preparation on corse and time series analysis of varying cell parameters. Dendrochronologia. 28 (2), 85-92 (2010).
- McCarroll, D., Pettigrew, E., Luckman, A., Guibal, F., Edouard, J. L. Blue reflectance provides a surrogate for latewood density of high-latitude pine tree rings. Arct Antarct Alp Res. 34 (4), 450-453 (2002).
- Björklund, J., Seftigen, K., Kaczka, R. J., Rydval, M., Wilson, R. A standard definition and terminology for Blue Intensity from conifers. Dendrochronologia. 85, 126200 (2024).
- Van den Bulcke, J., et al. Advanced X-ray CT scanning can boost tree ring research for earth system sciences. Ann Bot. 124 (5), 837-847 (2019).
.