Мкм шкала фенотипирование методы кукурузы сосудистых пучков, основанный на Microcomputed рентгеновская томография
Summary
Мы предлагаем новый метод для повышения контраста поглощения рентгеновских кукурузы ткани подходит для обычных microcomputed КТ сканирование. Основываясь на КТ изображений, мы представляем набор рабочих процессов обработки изображений для различных кукурузы материалы эффективно извлекать микроскопических фенотипы сосудистых пучков кукурузы.
Abstract
Это необходимо для точного количественного определения анатомических структур кукурузы материалов на основе методики анализа изображений высокой пропускной способности. Здесь мы предоставляем «протокол подготовки проб» для кукурузы материалов (то есть, стебель, листья и корень) подходит для обычных microcomputed томография микро-сканирование. Основываясь на изображения с высоким разрешением CT кукурузный стебель, листья и корень, опишем два протокола для фенотипического анализа сосудистых пучков: (1) на основании КТ изображение кукурузный стебель и листья, мы разработали конвейере анализа конкретного изображения автоматически извлекать 31 и 33 фенотипических признаков сосудистых пучков; (2) на основе серии изображений КТ кукурузы корня, мы настроить схему обработки изображений для трехмерной (3-D) сегментации metaxylem судов и получены двумерные (2-D) и 3-D фенотипических признаков, таких, как объем, площадь metaxylem судов, и т.д. По сравнению с традиционной ручной измерение сосудистых пучков кукурузы материалов, предлагаемых протоколов значительно повысить эффективность и точность микрон шкала фенотипические количественной оценки.
Introduction
Кукурузы сосудистой системы проходит через весь завод, корень и стебель на листья, который формирует основные транспортные пути для доставки воды, минеральных веществ и органических веществ1. Еще одной важной функцией сосудистой системы является обеспечивают механическую поддержку для растений кукурузы. Например морфология, количество и распределение сосудистых пучков в корни и стебли тесно связаны с жилье сопротивление кукурузные растения2,3. В настоящее время исследования анатомического строения сосудистых пучков главным образом используют микроскопические и ультрамикроскопические методы для отображения анатомические структуры определенной части стебля, листьев, или корень и затем измерить и рассчитывать эти структуры интерес к ручной расследования. Несомненно ручное измерение различных микроскопических структур в крупномасштабных микроизображений это очень утомительно и неэффективная работа и серьезно ограничивает точность microphenotypic черты, благодаря своей субъективности и непоследовательность4, 5.
Кукурузы не среднего роста, и содержимое ячейки по существу состоит из воды в начальной Меристемы. Без каких-либо предварительной обработки свежие образцы кукурузы тканей могут быть непосредственно отсканированы с помощью микро КТ устройства; Однако результаты сканирования, вероятно, бедных и грубой. Основные причины резюмируются следующим образом: (1) низкое затухание плотности растительных тканей, что приводит к низкой контрастности Атомный номер и высокой шума в изображениях; (2) материалы свежего растения склонны к обезвоживанию и сокращаться в течение нормального сканирования окружающей среды, как сообщает Du6. Основные препятствия для развития и применения технологии microphenotyping для кукурузы, пшеницы, риса и других однодольные стали указанных проблем. Здесь, мы представляем протокол «Подготовка образца» для предварительной обработки образцов кукурузный стебель, листья и корень. Этот протокол позволяет избежать обезвоживания и деформации растительных материалов во время КТ; Таким образом это выгодно увеличить время сохранение образцов растений с nondeformation. Кроме того окраска шаг, основанные на твердых йод также повышает контрастность растительных материалов; Таким образом он делает значительные улучшения в качестве изображений микро CT. Кроме того мы разработали программное обеспечение для обработки изображений, названный VesselParser, чтобы обработать изображения КТ кукурузные стебли и листья. Это программное обеспечение интегрирует набор трубопроводов обработки изображений для выполнения анализа высокой пропускной способностью и автоматические фенотипирование для КТ изображения 2-D различных растительных тканей. Сосудистых пучков в весь спектр кукурузный стебель и лист обнаруживаются, извлекаются и определены с использованием метода автоматической обработки изображений. В результате мы получаем 31 микроскопических фенотипов, стеблей кукурузы и 33 микроскопических фенотипов листьев кукурузы. Для серии изображений КТ кукурузы корня мы разработали схему обработки изображений для приобретения 3-D фенотипических признаков metaxylem судов. Эта схема является превосходной эффективности приобретения изображений и восстановления по сравнению с традиционными методами.
Эти результаты показывают, что изображения обработки трубопроводов рассматривающ изображений характеристики обычных рентгеновских микро КТ обеспечивают эффективный метод для микроскопических фенотипирование сосудистых пучков; Это чрезвычайно расширяет применение методов КТ в науке растений и улучшает автоматическое фенотипирование растительных материалов на клеточном резолюции6,7.
Protocol
Representative Results
Discussion
С успешным применением CT технологии в области биомедицины и материаловедения эта технология постепенно введен в области ботаники и сельского хозяйства, поощрение исследований в науках о жизни растений как перспективных технического инструмента . В конце 1990-х CT технология впервые был?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано национального характера науки фонд Китая (No.31671577), Наука и технологии инноваций специальных строительство финансируемые программы из Пекинской Академии сельского хозяйства и лесного хозяйства Sciences(KJCX20180423), исследования Программа развития Китая (2016YFD0300605-01), Пекин фонда естественных наук (5174033), Пекин докторской исследовательский фонд (2016 ZZ-66) и Пекинской Академии сельского и лесного хозяйства наук Грант (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 |
References
- 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).
