Summary

基于 X 射线 Microcomputed 层析成像的玉米血管束微米尺度分型技术研究

Published: October 09, 2018
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Summary

为提高适合普通 microcomputed 层析扫描的玉米组织 X 线吸收对比度提供了一种新的方法。在 CT 图像的基础上, 引入了一套不同的玉米材料图像处理工作流, 有效地提取了玉米血管束的显微表型。

Abstract

基于高通量图像分析技术, 有必要对玉米材料的解剖结构进行准确量化。在这里, 我们提供了一个 “样品准备协议” 的玉米材料 (茎, 叶, 和根) 适合普通 microcomputed 层析成像 (微 CT) 扫描。本文以玉米茎、叶、根的高分辨率 ct 图像为基础, 描述了两种用于血管束表型分析的协议: (1) 基于玉米茎叶 ct 图像, 研制出一种特殊的图像分析管道, 自动提取3133维管束的表型特征;(2) 基于玉米根系 CT 图像序列, 建立了 metaxylem 血管三维 (3 维) 分割的图像处理方案, 提取了二维 (2 维) 和3维表型特征, 如 metaxylem 血管的体积、表面积、与传统的人工测量玉米材料的血管束相比, 该协议大大提高了微米尺度表型量化的效率和准确性。

Introduction

玉米血管系统贯穿整个植物, 从根部到茎叶, 形成了输送水、矿物质养分和有机物质的关键运输途径1。血管系统的另一个重要功能是为玉米植株提供机械支持。例如, 根和茎中血管束的形态、数量和分布与23玉米植株的抗倒伏性密切相关。目前, 对血管束解剖结构的研究主要是利用显微和超微结构技术来显示茎、叶或根的某一部分的解剖结构, 然后测量和计数这些结构的通过人工调查的兴趣。毫无疑问, 大规模 microimages 中各种显微结构的手工测量是一项非常繁琐、效率低下的工作, 由于其主观性和不一致4, 严重限制了 microphenotypic 特性的精度, 5

玉米无二次生长, 细胞含量主要由初级生分生中的水组成。未经任何预处理, 可以用微 CT 装置直接扫描玉米组织的新鲜样品;然而, 扫描结果可能是差和粗糙。主要原因如下: (1) 植物组织的衰减密度低, 导致图像中原子数和高噪声的对比度低;(2) 在正常的扫描环境中, 新鲜植物材料容易脱水和收缩, 如杜6所报告。上述问题已成为玉米、小麦、水稻等单子叶植物 microphenotyping 技术发展和应用的主要制约因素。在这里, 我们介绍了 “样品准备协议”, 以预处理玉米茎, 叶和根的样品。该协议避免了在 CT 扫描过程中植物材料的脱水和变形;因此, 用 nondeformation 增加植物样品的保存时间是有益的。此外, 基于固体碘的染色步骤也提高了植物材料的对比度;从而大大提高了显微 CT 成像质量。此外, 我们还开发了名为 VesselParser 的图像处理软件来处理玉米茎叶的 CT 图像。该软件集成了一套图像处理管线, 用于对不同植物组织的2维 CT 图像进行高通量和自动分型分析。用自动图像处理方法检测、提取和识别玉米茎叶全断面的血管束。结果得到了玉米茎的31个显微表型和33个玉米叶片的显微表型。针对玉米根系的 CT 图像序列, 研制了一种图像处理方案, 以获得 metaxylem 血管的3维表型特征。与传统方法相比, 该方案具有更好的图像采集和重建效率。

结果表明, 考虑普通 X 射线显微 CT 成像特征的图像处理管线, 为血管束的显微分型提供了一种有效的方法;这极大地拓宽了 CT 技术在植物科学中的应用, 提高了细胞分辨率67的植物材料的自动分型。

Protocol

1. 样品准备协议 对于取样, 从新鲜的玉米植株收集茎、叶和根, 并将它们分成三类样本组 (每组四个复制)。然后, 用手术刀片将其切成小段: (1) 切下中间茎节间的段, 长度为 1-1.5 厘米;(2) 用主脉沿垂直方向切开叶片最大宽度的一段, 长度为 0.5-3 厘米;(3) 将冠根的一段长度切开0.5 厘米。 对于联邦航空局的固定, 浸泡在 faa 解决方案 (90:5: 5 伏/v/v, 70% ethanol:100 打印张数etic 酸) 的样品段至…

Representative Results

适合于普通微 CT 扫描的样品制备方案不仅能防止植物组织的变形, 而且能提高 x 射线的吸收对比度。用微 CT 系统对预处理后的植物材料进行扫描, 得到高质量的切片图像, 最高分辨率可达2µm/像素。图 4显示了扫描的茎、叶和根的显微 CT 图像, 与从新鲜植物材料中扫描的结果相比, 图像对比度有显著的改善。在这些 CT 切片图像中, 在血管束、软组织细?…

Discussion

随着 CT 技术在生物医学和材料科学领域的成功应用, 该技术已逐步引入植物学和农业领域, 促进了植物生命科学的研究, 成为一种有前途的技术工具。.二十世纪九十年代代末, CT 技术首次用于研究植物根系的形态结构和发育。在过去的十年中, 同步辐射已经成为植物生物学家的一种强大的、无损的工具, 已经成功地用于鉴定葡萄血管系统的组织结构8拟南芥叶片的组织结构<…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

这项研究得到了中国国家自然科学基金 (31671577)、北京农林科学院科技创新专项建设资助项目 (KJCX20180423) 的支持, 研究中国开发项目 (2016YFD0300605-01), 北京自然科学基金 (5174033), 北京博士后研究基金会 (2016 ZZ-66), 北京农林科学院 (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

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Diesen Artikel zitieren
Zhang, Y., Ma, L., Pan, X., Wang, J., Guo, X., Du, J. Micron-scale Phenotyping Techniques of Maize Vascular Bundles Based on X-ray Microcomputed Tomography. J. Vis. Exp. (140), e58501, doi:10.3791/58501 (2018).

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