インクリメントコアのサンプリングとデジタイズのための新しいワークフロー
Summary
3Dプリントされたマウントを使用して、木製のマウントに開梱して接着する必要なく、現場でインクリメントコアを固定するプロトコルを紹介します。新しいGSCホルダーは、コアをコアミクロトームに配置して表面を切断し、直接デジタル画像キャプチャに転写することができます。
Abstract
ここでは、現場でインクリメントコアを取得し、それらを保管してラボに輸送することから、その後の樹木生態学的分析のためのさらなる分析のための年輪のデジタル化までの新しいワークフローを紹介します。この手順では、インクリメントコアに新しいサンプルキャリアを使用します。これらの新しいゲルトナー・シュナイダー・コア(GSC)ホルダーは、3次元(3D)モデリングソフトウェアを使用して設計され、最終的に3Dプリンターでプリントされます。これらのマウントを現場で最初から使用すると、コアミクロトームで直接コアを切断でき、新しい高解像度画像キャプチャシステムを使用して、さらに再配置することなく表面をデジタル化できます。したがって、これらは直接分析に使用できます。このシステムでは、コアやディスクから年輪をデジタル化したり、透過光を使用して長いマイクロセクション(最大40cm)から画像を撮影したりできます。この特徴は、コアミクロトームで切断されたマイクロセクションの擾乱の発生を特定するための年輪生態学的および地形学的アプリケーションにとって特に興味深いものです。
Introduction
クロスデート技術を適用して年輪を年代測定する原理は、1881年にオーストリアの森林科学者Arthur Freiherr von Seckendorff-Gudentによって初めて導入されました1。20世紀 前半に、この技術は「年輪年代学の父」アンドリュー・エリコット・ダグラスによって再発明され、彼はそれを考古学的遺跡や生きている樹木の年代測定に集中的に適用しました2。
今日、年輪生態学は、年輪年代学の一種の環境フレームとして機能する研究トピックであり、年輪と、時間の生態学的および環境的変化によって引き起こされるそれらの固有の成長変動の研究として定義されています3。年輪生態学研究では、安定同位体、後期木材密度、単一年輪内の細胞特性など、年輪幅の変動以外にも多くの特性を使用して、これらのデータを環境パラメータと相関させ、環境条件が樹木の成長に及ぼす影響を経時的に理解しています4。木材の解剖学的研究と年輪生態学的研究の継続的な統合を通じて、年輪生態学の研究は過去10年間で進化し、過去の気候条件を再構築する上でこれまで以上にバックボーンとなっています5,6,7,8。
サンプル調製と分析に関する技術開発、特に木材解剖学に関する技術開発は、過去10年間で強力であったが9,10,11,12,13,14、サンプリング技術の簡素化15に関しては、ほとんど実質的な進歩はなかった。例えば、音波技術16にもかかわらず、今日まで、木から年輪の特性を抽出するための信頼できる「非破壊的」な方法は存在しなかった。
そのため、年輪関連の研究はすべて、関心のある場所で採取された樹木や低木から採取した木製サンプルに依拠しています。樹木に焦点を当てる場合、標準的な手順は、幹15からコアをインクリメントすることです。
インクリメントコアラーを使用してコアを取ることは、しばしば「非破壊的」手法として表現されます17。ステムからディスクを取るのと比較すると、これは正しいです。それにもかかわらず、このサンプリング手法は、直径約1cmの茎に穴をあけ、その大部分は茎の髄を越えて到達する3。木はこの傷を自然に閉じることができますが、このプロセスは成長反応を引き起こし、創傷のすぐ近くの一般的な構造を変えるだけでなく、真菌性疾患18,19のために穴の周りの既存の木材の多かれ少なかれ激しい変色を引き起こします。ですから、「非破壊的」というよりは「低侵襲的」と呼ぶべきでしょう。
インクリメントコアを取る技術は、最近、機械式ドリルを使用する能力を通じて進化し、特に木材の解剖学的分析15において、より高品質のサンプルをもたらしました。この手順は、手動のコアリングと比較して、現場での時間を大幅に節約します。変わらなかったのは、木からの抽出からラベリング、輸送用の保管、およびさまざまな可能な分析技術のためのラボでのコアの準備まで、コアの取り扱い手順でした。
芯は、輸送中に芯が折れるのを防ぐために、プラスチックや紙製のストローなどの安定した容器に詰める必要があります。芯のラベリングは、柔らかい鉛筆を使用して芯に直接行うか、(より頻繁に)各ストローの外側で行います。プラスチック容器を使用する場合は、真菌の拡散を避けるために、短時間でコアを取り出す必要があります。そのため、コアをコンテナから再度取り出す必要があります。コアを安定させ、乾燥開始時にコアが曲がらないようにするには、コアをマウントに固定する必要があります。これは、その後のさらなる分析のための表面処理にも役立ちます。その際、ラベルをそれぞれのマウントに転写する必要もあります。標準的な手順は、木製の台紙にコアを接着するか、段ボールのリルにテープで固定することです。それらを木製の台紙に接着することは、最も頻繁に使用される技術です。この手順は、コアの安定化、研磨、または切断に最適ですが、潜在的な化学的分析、同位体分析、さらには木材の解剖学的分析に関していくつかの欠点があります。もう 1 つの欠点は、必要な時間にもかかわらず、各コアのラベルが新しいマウントにエラーが起こりやすいことです。
年輪年代学では、正確な年代測定の基盤としての年輪幅の測定は、すべての年輪生態学的研究のバックボーンです20。多くのラボでは、双眼鏡が取り付けられたLintab21などの測定テーブルを使用した手動測定にまだ依存していますが、フラットベッドスキャナーを使用してコア表面をデジタル化し、CooRecorder22やWinDENDRO23などのソフトウェアを使用してリング幅を測定する傾向があります。残念ながら、これらのスキャナー、たとえば広く使用されているEpson Expression 10000XLは、アーリーウッドまたはレイトウッドの気管として構造を明確に描写するのに十分な解像度を持っていません(図1)。このため、得られた画像は、双眼鏡24,25を使用して元のコアに戻ることなく正確なクロスデート手順に重要な、非常に狭いリングや密度の変動などの困難な構造を認識するのには適していない。
年輪科学10において、適切な画像解析を行うためには、高い画像解像度が必須の前提条件であることから、WSL(Skippy、https://www.wsl.ch/en/services-produkte/skippy/)では、デジタルカメラを用いてコア表面の年輪をデジタル化する新しい画像キャプチャシステムを開発しました。その結果、既存のフラットベッドスキャナーよりも高い解像度の画像が得られました。このシステムは、2007年に開発されたATRICSシステム26のアイデアに基づいています。最近では、スキッピーに匹敵するシンプルだが効率的な画像キャプチャシステムが、自己組み立てキット27として発表された。
年輪のデジタル化、つまり反射光画像キャプチャは、増分コアまたはディスクの高解像度画像を作成するための重要なステップであり、時間効率の高いデジタルベースの年輪幅測定をサポートします。WSLで開発されたシステムでは、透過光を使用して長いマイクロセクション(最大40cm)から画像を撮影することもできます。この追加機能は、例えば、マイクロセクションにおける反応木材の発生を特定するための年輪地形学的アプリケーションにとって興味深いものです。
この研究では、現場やラボでのコアの取り扱いプロセスを容易にするためのプロトコルを提示します。提示された新しい技術のベースは、再利用可能なマウントです。新しいGSCホルダー GärtnerSchneiderC鉱石(GSC)ホルダーは、3Dモデリングソフトウェアを使用して設計され、3Dプリンターで印刷されました。GSCホルダーは、現場で取り込んだコアを再梱包したりラベルを付け直したりすることなく、簡単に取り扱うことができます。また、コアの準備された表面をデジタル化するための効率的な新しいシステムも紹介します。このプロトコルは、現場でのコアの採取からサンプル調製、その後の分析のためにコア表面をデジタル化し、最終的にアーカイブに保存するまでの手順全体に及びます。
Protocol
Representative Results
Discussion
樹木の解剖学を樹木生態学的研究に含めることで、これらの研究は過去の環境条件の新しく詳細な分析に広く開かれました28,29,30。これらの新しい手法は、分析作業、つまり目的のデータを生成するために必要なラボ時間も強化しました。実験室での作業を最適化し、木材解剖学的技術9,12,13,15,30に関して実験室で必要な時間を短縮するための多くの試みがなされてきた。しかし、これらの研究のために行われたコアの取り扱い、準備、および保管の一般的な手順を容易にするための努力はほとんど行われていません。
3Dプリンティングは、この点で新たな可能性を提供します9。新しい3Dプリントされたコアホルダーは、この手順全体を簡素化し、時間を短縮し、より効率的にする最初の試みです。
プラスチック製ストロー31,32または同等の容器に保存されたコアは、コアの外側(およびすぐに内側)で真菌が発生するのを防ぐために取り出す必要がありますが、GSCホルダーに固定されたコアはそのままにしておくことができます。この点までは、紙製ストロー33に収納するのと同等である。
その利点は、(i)藁(または他の容器)から芯を取り外す、(ii)芯を木製の台紙に接着するか、ケーブルサポートとして他の物体に固定する、そして(iii)各芯に使用されるそれぞれのコードを転送するというエラーが発生しやすいプロセスを実行するとすぐに明らかになります。 不要になります。
GSCホルダーのオープン構造により、プラスチック容器に保管する場合のように、真菌の侵入のリスクなしにコアを保管することができます。上述したように、ホルダーは、構造を安定させるためにパラフィンに包埋することも可能にする。それにもかかわらず、この「単純な」埋め込みは、マイクロコア35に対して行われるように、サンプルをパラフィンブロックに埋め込むためにカセットを使用する一般的な埋め込み手順と比較することはできない。この単純な技術は、マイクロ切片36を切断する際にコーンスターチを塗布することにかなり匹敵する。これにより、細胞がより安定し、切断手順中に細胞が破損するのを防ぐことができますが、単にコーンスターチを追加するよりも時間がかかります。この形式の埋め込みでは、コア全体がブロックに埋め込まれているかのように安定することはありません。コアが壊れると、セクションも壊れます。GSCホルダーはコアミクロトーム37に収まるため、その後のデジタル化プロセスのための表面の準備には数分しかかかりません。
年輪をデジタル化するプロセスでは、青色強度測定38,39に頻繁に使用されるフラットベッドスキャナーの適用は、結果として得られる画像の品質がかなり低かったため、年輪構造のより詳細なビューに関しては満足のいくものではなかった。これらの画像では、針葉樹の一般的な(幅の広い)リングの境界が見えましたが、狭いリングや密度の変動さえも識別することはほぼ不可能でした。
X線CT40など、年輪を高解像度でデジタル化する魅力的な新しい試みがありますが、高解像度のデジタルカメラを使用することは、さらなる測定のために高品質の画像を生成するための最も効率的で費用対効果の高い方法です。
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は、新しいホルダーを作成するという考えを支持してくれたJussi Grießinger教授に感謝したいと思います。
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) |
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