تقنيات Phenotyping ميكرون-مقياس الذرة حزم وعائية استناداً إلى التصوير المقطعي بالأشعة السينية ميكروكومبوتيد
Summary
نحن نقدم طريقة جديدة لتحسين تباين امتصاص الأشعة السينية الذرة الأنسجة مناسبة لفحص التصوير المقطعي ميكروكومبوتيد العادية. استناداً إلى صور الأشعة المقطعية، نقدم مجموعة من مهام سير العمل في تجهيز الصور لمختلف المواد الذرة لاستخراج فعالة تعمل مجهرية من حزم وعائية من الذرة.
Abstract
من الضروري أن دقة قياس الهياكل التشريحية الذرة المواد استناداً إلى تقنيات تحليل الصورة الفائق. هنا، نحن نقدم إعداد نموذج ‘بروتوكول’ لمواد الذرة (أي، الجذعية، ورقة، وجذر) مناسبة للعاديين ميكروكومبوتيد التصوير المقطعي (الصغرى-CT) المسح الضوئي. استناداً إلى صور عالية الاستبانة الأشعة المقطعية الجذعية الذرة وأوراق وجذور، يصف لنا بروتوكولين لتحليل حزم وعائية المظهرية: (1) استناداً إلى صورة الأشعة المقطعية الجذعية الذرة ونبات، قمنا بتطوير خط أنابيب تحليل صورة معينة استخراج تلقائياً 31 والسمات المظهرية 33 من حزم وعائية؛ (2) استناداً إلى سلسلة صورة الأشعة المقطعية لجذر الذرة، علينا إعداد نظام تجهيز صورة للتجزئة (ثلاثي الأبعاد) ثلاثية الأبعاد للسفن ميتاكسيليم، واستخراج ثنائي الأبعاد (2-d) والسمات المظهرية ثلاثي الأبعاد، مثل الحجم والمساحة للسفن ميتاكسيليم، إلخ بالمقارنة مع القياس اليدوية التقليدية من حزم وعائية المواد الذرة، البروتوكولات المقترحة إلى حد كبير تحسين كفاءة ودقة ميكرون-المقياس الكمي المظهرية.
Introduction
يعمل النظام بالأوعية الدموية الذرة من خلال مصنع كامل، من الجذر والساق للأوراق، التي تشكل مسارات النقل الرئيسية لإيصال المياه والمغذيات المعدنية والمواد العضوية1. وظيفة هامة أخرى من الأوعية الدموية لتوفير الدعم الميكانيكي لنبات الذرة. على سبيل المثال، ارتباطاً وثيقا التشكل وعدد وتوزيع حزم وعائية في الجذور والسيقان المقاومة السكن لنباتات الذرة2،3. في الوقت الحاضر، دراسات عن التشريحي من حزم وعائية أساسا استخدام التقنيات المجهرية وأولتراميكروسكوبيك لعرض الهياكل التشريحية لجزء معين من جذع، أوراق، أو الجذر، وثم قياس وحساب هذه الهياكل من مصلحة التحقيق اليدوي. ولا شك أن القياس اليدوي لمختلف هياكل مجهرية في ميكرويماجيس على نطاق واسع هو عمل شاقة للغاية وغير فعالة ويحد بشدة من دقة الصفات ميكروفينوتيبيك، نظراً لعدم الموضوعية وعدم تناسق4، 5.
الذرة لا النمو الثانوي، ومحتوى الخلية يتكون أساسا من الماء في أرض الابتدائية. دون أي معالجة مسبقة، عينات جديدة من الذرة الأنسجة يمكن مباشرة مسحها ضوئياً باستخدام جهاز الأشعة المقطعية الصغرى؛ ومع ذلك، نتائج المسح ربما الفقراء والخام. الأسباب الرئيسية التي تتلخص فيما يلي: كثافة التوهين منخفضة (1) من الأنسجة النباتية، أسفر على النقيض منخفضة العدد الذري والضوضاء عالية في الصور؛ (2) المواد النباتية الطازجة المعرضة ليذوي ويتقلص خلال البيئة المسح العادي، كما أفاد دو6. وقد أصبحت المشاكل المذكورة أعلاه القيود الرئيسية لتطوير وتطبيق تكنولوجيا ميكروفينوتيبينج للذرة والقمح، والأرز، وأخرى مونوكوتيليدونس. نقدم لك هنا، في ‘بروتوكول إعداد نموذج’ بريتريات العينات الجذعية الذرة وأوراق وجذور. يتجنب هذا البروتوكول بالجفاف والتشوه للمواد النباتية أثناء التصوير المقطعي المسح؛ وهكذا، أنها مفيدة لزيادة وقت حفظ العينات النباتية مع نونديفورميشن. وعلاوة على ذلك، يعزز خطوة الصباغة استناداً إلى اليود الصلبة أيضا على النقيض المواد النباتية؛ وهكذا، فإنه يجعل تحسينات كبيرة في نوعية التصوير الجزئي-قيراط وعلاوة على ذلك، قمنا بتطوير برامج معالجة الصورة، اسمه فيسيلبارسير، معالجة الصور المقطعية للذرة السيقان والأوراق. يدمج هذا البرنامج مجموعة من أنابيب تجهيز الصور لإجراء تحليل phenotyping الفائق والتلقائي للصور المقطعية 2-د من الأنسجة النباتية المختلفة. الحزم الوعائية في المقطع العرضي كامل الجذعية الذرة وأوراق يتم الكشف عن واستخراج وتحديد باستخدام أسلوب معالجة الصور تلقائي. نتيجة لذلك نحصل على 31 تعمل مجهرية الجذعية الذرة وتعمل مجهرية 33 نبات الذرة. سلسلة الصور المقطعية جذر الذرة، قمنا بتطوير نظام معالجة الصور لاكتساب الصفات المظهرية ثلاثي الأبعاد للسفن ميتاكسيليم. هذا المخطط أعلى في الكفاءة للحصول على الصور وإعادة الإعمار مقارنة بالأساليب التقليدية.
تشير هذه النتائج إلى أن الصورة تجهيز أنابيب النظر في خصائص التصوير للأشعة السينية العادية الصغيرة-CT توفر وسيلة فعالة ل phenotyping مجهرية من حزم وعائية؛ الغاية هذا يوسع تطبيقات تقنيات الأشعة المقطعية في علم النبات، ويحسن phenotyping التلقائي للمواد النباتية في القرار الخلوي6،7.
Protocol
Representative Results
Discussion
مع التطبيق الناجح لتكنولوجيا الأشعة المقطعية في مجالات الطب الحيوي وعلوم المواد، هذه التكنولوجيا قد تم تدريجيا في مجالات علم النبات والزراعة، وتشجيع البحوث في علوم الحياة النباتية كأداة تقنية واعدة . في أواخر التسعينات، استخدمت تكنولوجيا الأشعة المقطعية أولاً لدراسة هياكل المورفولوجي?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
أيد هذا البحث الوطني طبيعة العلم مؤسسة في الصين (No.31671577)، العلم والتكنولوجيا الابتكار الخاص البناء يمول البرنامج من بكين أكاديمية الزراعة والغابات Sciences(KJCX20180423)، البحوث برنامج التنمية للصين (2016YFD0300605-01)، ومؤسسة العلوم الطبيعية بكين (5174033)، بكين بعد الدكتوراه بحوث مؤسسة (2016 ZZ-66)، وأكاديمية بكين للزراعة والحراجة العلوم منحة (KJCX20170404)، ( JNKYT201604).
Materials
| Skyscan 1172 X-ray computed tomography system | Bruker Corporation, Belgium | NA | For CT scanning |
| CO2 critical point drying system (Leica CPD300) | Leica Corporation, Germany | NA | For sample drying |
| Ethanol | Any | NA | For FAA fixation |
| Formaldehyde | Any | NA | For FAA fixation |
| Acetic acid | Any | NA | For FAA fixation |
| Surgical blade | Any | NA | For cutting the sample sgements |
| 3D printer | Makerbot replicator 2, MakerBot Industries, USA | NA | For printing the sample baskets of maize root, stem, and leaf |
| Centrifuge tube | Corning, USA | NA | Place the root, stem, or leaf materials |
| Solid iodine | Any | NA | For sample dyeing |
| SkyScan Nrecon software | SkyScan NRecon, Version: 1.6.9.4, Bruker Corporation, Belgium | NA | For image reconstruction |
| VesselParser software | VesselParser, Version: 3.0, National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture (NERCITA), Beijing, China | NA | Image analysis protocol for single CT image of maize stem or leaf |
| ScanIP | ScanIP, Version: 7.0; Simpleware, Exeter, UK | NA | 3D image processing software |
| Latex gloves | Any | NA | |
| Tweezers | Any | NA |
Referenzen
- Lucas, W. J., et al. The plant vascular system: evolution, development and functions. Journal of Integrative Plant Biology. 55, 294-388 (2013).
- Gou, L., et al. Effect of population density on stalk lodging resistant mechanism and agronomic characteristics of maize. Acta Agronomica Sinia. 33, 1688-1695 (2007).
- Hu, H., et al. QTL mapping of stalk bending strength in a recombinant inbred line maize population. Theoretical and Applied Genetics. 126, 2257-2266 (2013).
- Wilson, J. R., Mertens, D. R., Hatfield, R. D. Isolates of cell types from sorghum stems: Digestion, cell wall and anatomical characteristics. Journal of the Science of Food and Agriculture. 63, 407-417 (1993).
- Hatfield, R., Wilson, J., Mertens, D. Composition of cell walls isolated from cell types of grain sorghum stems. Journal of the Science of Food and Agriculture. 79, 891-899 (1999).
- Du, J., et al. Micron-scale phenotyping quantification and three-dimensional microstructure reconstruction of vascular bundles within maize stems based on micro-CT scanning. Functional Plant Biology. 44 (1), 10-22 (2016).
- Pan, X., et al. Reconstruction of Maize Roots and Quantitative Analysis of Metaxylem Vessels based on X-ray Micro-Computed Tomography. Canadian Journal of Plant Science. 98 (2), 457-466 (2018).
- McElrone, A. J., Choat, B., Parkinson, D. Y., MacDowell, A. A., Brodersen, C. R. Using high resolution computed tomography to visualize the three dimensional structure and function of plant vasculature. Journal of Visualized Experiments. (74), e50162 (2013).
- Cloetens, P., Mache, R., Schlenker, M., Lerbs-Mache, S. Quantitative phase tomography of Arabidopsis seeds reveals intercellular void network. Proceedings of the National Academy of Sciences of the Unites States of America. 103, 14626-14630 (2006).
- Dorca-Fornell, C., et al. Increased leaf mesophyll porosity following transient retinoblastoma-related protein silencing is revealed by microcomputed tomography imaging and leads to a system-level physiological response to the altered cell division pattern. Plant Journal. 76 (6), 914-929 (2013).
- Verboven, P., et al. Void space inside the developing seed of Brassica napus and the modelling of its function. New Phytologist. 199, 936-947 (2013).
- Brodersen, C. R., Roark, L. C., Pittermann, J. The physiological implications of primary xylem organization in two ferns. Plant, Cell & Environment. 35, 1898-1911 (2012).
- Choat, B., Brodersen, C. R., McElrone, A. J. Synchrotron X-ray microtomography of xylem embolism in Sequoia sempervirens saplings during cycles of drought and recovery. New Phytologist. 205, 1095-1105 (2015).
- Torres-Ruiz, J. M., et al. Direct x-ray microtomography observation confirms the induction of embolism upon xylem cutting under tension. Plant Physiology. 167, 40-43 (2015).
- Staedler, Y. M., Masson, D., Schönenberger, J. Plant tissues in 3D via. x-ray tomography: simple contrasting methods allow high resolution imaging. PLoS One. 8, 75295 (2013).
- Zhang, Y., Legay, S., Barrière, Y., Méchin, V., Legland, D. Color quantification of stained maize stem section describes lignin spatial distribution within the whole stem. Journal of the Science of Food and Agriculture. 61, 3186-3192 (2013).
- Legland, D., Devaux, M. F., Guillon, F. Statistical mapping of maize bundle intensity at the stem scale using spatial normalisation of replicated images. PLoS One. 9 (3), 90673 (2014).
- Heckwolf, S., Heckwolf, M., Kaeppler, S. M., de Leon, N., Spalding, E. P. Image analysis of anatomical traits in stem transections of maize and other grasses. Plant Methods. 11, 26 (2015).
- Wu, H., Jaeger, M., Wang, M., Li, B., Zhang, B. G. Three-dimensional distribution of vessels, passage cells and lateral roots along the root axis of winter wheat (Triticum aestivum). Annals of Botany. 107, 843-853 (2011).
- Chopin, J., Laga, H., Huang, C. Y., Heuer, S., Miklavcic, S. J. RootAnalyzer: A Cross-Section Image Analysis Tool for Automated Characterization of Root Cells and Tissues. PLoS One. 10, 0137655 (2015).
- Passot, S., et al. Characterization of pearl millet root architecture and anatomy reveals three types of lateral roots. Frontiers in Plant Science. 7, 829 (2016).
