Новый рабочий процесс для выборки и оцифровки инкрементных кернов
Summary
Мы представляем протокол использования напечатанных на 3D-принтере креплений для фиксации приращенных ядер в полевых условиях без необходимости их распаковки и наклеивания на деревянные крепления. Новый держатель GSC позволяет помещать стержни в микротом ядра для разрезания их поверхности и непосредственного переноса на цифровую обработку изображений.
Abstract
В этой статье мы представляем новый рабочий процесс от взятия приращенных кернов в полевых условиях, хранения и транспортировки их в лабораторию до оцифровки годичных колец деревьев для дальнейшего анализа и последующих дендроэкологических анализов. Процедура предполагает использование новых носителей образцов для приращения ядер. Эти новые держатели Gärtner Schneider Core (GSC) разработаны с использованием программного обеспечения для трехмерного (3D) моделирования и окончательно напечатаны на 3D-принтере. Используя эти крепления с самого начала в полевых условиях, стержни могут быть разрезаны непосредственно с помощью микротома ядра, а их поверхность затем может быть оцифрована без дальнейшей перегруппировки с помощью новой системы захвата изображений с высоким разрешением. Таким образом, они доступны для прямого анализа. Эта система позволяет оцифровывать годичные кольца деревьев с ядер и дисков, а также делать снимки с длинных микроучастков (до 40 см) с использованием проходящего света. Эта особенность представляет особый интерес для дендроэкологических и геоморфологических приложений для идентификации возникновения любых нарушений в микроразрезах, разрезанных ядром-микротомом.
Introduction
Принцип датирования годичных колец деревьев с применением метода перекрестного датирования был впервые введен австрийским лесоведом Артуром Фрайхерром фон Зекендорф-Гудентом в 1881году1. В первой половине20-го века этот метод был заново изобретен «отцом дендрохронологии» Эндрю Элликоттом Дугласом, который интенсивно применял его для датирования археологических памятников иживых деревьев.
В настоящее время дендроэкология, тема исследования, выступающая в качестве своеобразной экологической рамки дендрохронологии, определяется как изучение годичных колец деревьев и присущих им вариаций роста, вызванных экологическими и экологическими изменениямиво времени. В дендроэкологических исследованиях для лучшего понимания влияния условий окружающей среды на рост деревьев стечением времени используются многие другие характеристики, такие как стабильные изотопы, поздняя плотность древесины или характеристики клеток в пределах одиночных колец. Благодаря продолжающейся интеграции анатомических исследований древесины с дендроэкологическими исследованиями, дендроэкологические исследования развивались в последнее десятилетие и более чем когда-либо являются основой для реконструкции прошлых климатических условий 5,6,7,8.
Несмотря на то, что технический прогресс в области подготовки и анализа образцов, особенно в области анатомии древесины, был сильным в последнее десятилетие 9,10,11,12,13,14, практически не было реального прогресса в упрощении методов отбора проб 15. Несмотря на, например, технологию акустических волн16, до сих пор не существует надежного «неразрушающего» метода извлечения характеристик колец из деревьев.
Следовательно, все исследования, связанные с годичными кольцами деревьев, по-прежнему основываются на образцах древесины, взятых с деревьев или кустарников, взятых на интересующих участках. При ориентации на деревья стандартной процедурой является взятие приращенных ядер из стеблей15.
Отбор кернов с помощью инкрементных пробок часто выражается как «неразрушающий» метод17. По сравнению с взятием дисков из стеблей, это правильно; Тем не менее, этот метод отбора проб вызывает отверстие в стебле диаметром около 1 см, в основном выходящее за пределы сердцевины стебля3. Дерево способно закрыть эту рану самостоятельно, но этот процесс вызывает реакции роста, изменяющие общую структуру в непосредственной близости от раны, а также более или менее интенсивное изменение цвета существующей древесины вокруг лунки из-за грибковыхзаболеваний. Таким образом, его лучше называть «минимально инвазивным», а не «неразрушающим».
Техника отбора приращенных кернов в последнее время развилась благодаря возможности использования механических сверл, что привело к более высокому качеству образцов, особенно для анатомических анализов древесины15. Эта процедура также значительно экономит время в полевых условиях по сравнению с ручным отбором керна. Неизменной осталась процедура работы с кернами, начиная с извлечения из дерева и заканчивая маркировкой, хранением для транспортировки и подготовкой их в лаборатории для различных возможных методов анализа.
Ядра по-прежнему должны быть упакованы в устойчивые контейнеры, такие как соломинки из пластика или бумаги, чтобы предотвратить их поломку во время транспортировки. Маркировка стержней производится непосредственно на сердцевине с помощью мягких карандашей или (чаще) на внешней стороне каждой соломинки. При использовании пластиковой тары ядра необходимо вынимать через короткое время, чтобы избежать распространения грибков. Итак, ядра нужно снова вынуть из контейнеров. Чтобы стабилизировать стержни и предотвратить их изгиб при начале высыхания, стержни необходимо закрепить на креплении. Это также помогает в последующей подготовке поверхности для дальнейших анализов. При этом метки также необходимо перенести на соответствующие крепления. Стандартной процедурой является приклеивание сердечников на деревянные крепления или фиксация их скотчем в прорезях гофрокартона. Наклеивание их на деревянные крепления – наиболее часто используемый прием. Хотя эта процедура идеально подходит для стабилизации и шлифовки или резки стержней, она имеет ряд недостатков, связанных с потенциальными химическими, изотопными и даже анатомическими анализами древесины. Еще одним недостатком, несмотря на требуемое время, является подверженный ошибкам перенос меток для каждого сердечника на новые крепления.
В дендрохронологии измерения ширины кольца как основа для точного датирования являются основой всех дендроэкологических исследований20. Несмотря на то, что многие лаборатории по-прежнему полагаются на ручные измерения с использованием измерительных таблиц, например, Lintab21 с прикрепленным биноклем, существует тенденция использования планшетных сканеров для оцифровки поверхностей сердцевины и измерения ширины кольца с помощью такого программного обеспечения, как CooRecorder22 или WinDENDRO23. К сожалению, эти сканеры, например, широко используемый Epson Expression 10000XL, не обладают достаточным разрешением для четкого изображения структур в виде трахеид ранней или поздней древесины (рис. 1). По этой причине полученные изображения не подходят для распознавания сложных структур, таких как очень узкие кольца или колебания плотности, которые имеют решающее значение для точной процедуры перекрестного датирования без обращения к исходным ядрам с помощью бинокля24,25.
Поскольку высокое разрешение изображения является необходимым условием для адекватного анализа изображений в науке о годичных кольцах деревьев10, в WSL (Skippy; https://www.wsl.ch/en/services-produkte/skippy/) была разработана новая система захвата изображений для оцифровки колец деревьев на основных поверхностях с помощью цифровой камеры, в результате чего изображения имеют более высокое разрешение, чем у всех существующих планшетных сканеров. В основу этой системы легла идея ATRICS-системы26, разработанной в 2007 году. Совсем недавно простая, но эффективная система захвата изображений, сравнимая с Skippy, была представлена в виде комплекта для самостоятельнойсборки27.
Оцифровка колец деревьев, т. е. захват изображений в отраженном свете, является важным шагом в создании изображений с высоким разрешением приращенных ядер или дисков для поддержки эффективного по времени цифрового измерения ширины кольца. Разработанная в WSL система также позволяет делать снимки с длинных микросрезов (до 40 см) с использованием проходящего света. Эта дополнительная функция, например, представляет интерес для дендрогеоморфологических приложений для идентификации начала реакционной древесины в микроразрезах.
В исследовании мы представляем протокол, облегчающий процесс работы с кернами в полевых условиях и в лаборатории. Основой представленной новой техники является многоразовое крепление; новый держатель GSC GärtnerSchneiderCore (GSC) разработан с использованием программного обеспечения для 3D-моделирования и напечатан на 3D-принтере. Держатель GSC обеспечивает простое обращение с стержнями, взятыми в полевых условиях, без их повторной упаковки или маркировки. Мы также представляем новую эффективную систему для оцифровки подготовленных поверхностей стержней. Этот протокол охватывает всю процедуру от взятия керна в полевых условиях до подготовки образцов, оцифровки поверхностей керна для последующих анализов и, в конечном итоге, их хранения в архиве.
Protocol
Representative Results
Discussion
Включение анатомии древесины в дендроэкологические исследования широко открыло эти исследования для нового и углубленного анализа прошлых условий окружающей среды 28,29,30. Эти новые методы также активизировали аналитические усилия, т.е. лабораторное время, необходимое для получения интересующих данных. Были предприняты многочисленные попытки оптимизировать лабораторную работу и сократить время, необходимое в лаборатории для изучения анатомических методов древесины 9,12,13,15,30. Но почти не было предпринято никаких усилий для упрощения общей процедуры обработки, подготовки и хранения кернов, взятых для этих исследований.
3D-печать открывает новые возможности в этом отношении9. Новый, напечатанный на 3D-принтере держатель керна является первой попыткой упростить всю эту процедуру, сделав ее менее трудоемкой и, следовательно, более эффективной.
В то время как стержни, хранящиеся в пластиковых соломинках31,32 или аналогичных контейнерах, необходимо вынимать, чтобы предотвратить развитие грибков снаружи (а вскоре и внутри) ядра, стержни, закрепленные в держателях GSC, могут оставаться как есть. К этому моменту это сравнимо с хранением их в бумажных соломинках33.
Преимущество становится очевидным, как только вся процедура (i) извлечения жил из соломинки (или другой емкости), (ii) приклеивания их к деревянным креплениям или закрепления на других объектах в качестве кабельных опор, и (iii) потенциально подверженного ошибкам процесса передачи соответствующего кода, используемого для каждой жилы, поскольку он был почти стандартомв течение десятилетий. становится ненужным.
Открытая конструкция GSC-держателя позволяет хранить ядра без риска заражения грибком, как это было бы при хранении в пластиковом контейнере. Как описано выше, держатель также позволяет заделывать его в парафин для стабилизации конструкции. Тем не менее, это «простое» встраивание нельзя сравнивать с обычными процедурами встраивания с использованием кассет для встраивания образца в парафиновый блок, как это делается для микроядер35. Простая техника вполне сравнима с нанесением кукурузного крахмала при резке микросекций36. Он лучше стабилизирует клетки и предотвратит их поломку во время процедуры нарезки, но это более трудоемко, чем простое добавление кукурузного крахмала. Такая форма встраивания не стабилизирует все ядро, как если бы оно было встроено в блок. Если ядро будет сломано, секции также сломаются. Поскольку GSC-держатель помещается в ядре-микротом37, подготовка поверхности к последующему процессу оцифровки занимает всего несколько минут.
В процессе оцифровки годичных колец деревьев применение планшетных сканеров, часто используемых для измерения интенсивности синего цвета38,39, оказалось неудовлетворительным в отношении более детального изображения структуры кольца из-за довольно низкого качества получаемых изображений. Хотя на этих изображениях были видны границы общих (широких) колец хвойных деревьев, узкие кольца или даже колебания плотности было практически невозможно идентифицировать.
Несмотря на то, что существуют новые увлекательные попытки оцифровать годичные кольца деревьев в высоком разрешении, такие как рентгеновский CT40, использование цифровых камер с высоким разрешением по-прежнему является наиболее эффективным и экономичным способом получения высококачественных изображений для дальнейших измерений.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарят профессора Юсси Гриссингера за поддержку идеи создания нового держателя.
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).
.