एक्स-रे Microcomputed टोमोग्राफी के आधार पर मक्का संवहनी बंडलों की माइक्रोन स्केल Phenotyping तकनीक
Summary
हम साधारण microcomputed टोमोग्राफी स्कैनिंग के लिए उपयुक्त खाद्यान ऊतक के एक्स-रे अवशोषण कंट्रास्ट में सुधार करने के लिए एक उपंयास विधि प्रदान करते हैं । सीटी छवियों के आधार पर, हम प्रभावी ढंग से मक्का के संवहनी बंडलों की सूक्ष्म phenotypes निकालने के लिए अलग मक्का सामग्री के लिए छवि प्रसंस्करण कार्यप्रवाह का एक सेट पेश करते हैं ।
Abstract
यह उच्च प्रवाह छवि विश्लेषण तकनीक के आधार पर मक्का सामग्री की संरचनात्मक संरचनाओं को सही ढंग से ठहराना आवश्यक है । यहां, हम मक्का सामग्री (यानी, स्टेम, पत्ती, और रूट) साधारण microcomputed टोमोग्राफी (माइक्रो सीटी) स्कैनिंग के लिए उपयुक्त के लिए एक ‘ नमूना तैयारी प्रोटोकॉल ‘ प्रदान करते हैं । मक्का स्टेम, पत्ती, और जड़ के उच्च संकल्प सीटी छवियों के आधार पर, हम संवहनी बंडलों के phenotypic विश्लेषण के लिए दो प्रोटोकॉल का वर्णन: (1) मक्का स्टेम और पत्ती की सीटी छवि पर आधारित है, हम स्वचालित रूप से 31 निकालने के लिए एक विशिष्ट छवि विश्लेषण पाइपलाइन विकसित और संवहनी बंडलों के ३३ phenotypic लक्षण; (2) मकई जड़ की सीटी छवि श्रृंखला पर आधारित है, हम तीन आयामी (3-डी) metaxylem वाहिकाओं के विभाजन के लिए एक छवि प्रसंस्करण योजना की स्थापना की, और दो-आयामी (2-डी) और 3-डी phenotypic लक्षण, जैसे मात्रा, metaxylem जहाजों की सतह क्षेत्र, आदि मौजूद थे । मक्का सामग्री के संवहनी बंडलों के पारंपरिक मैनुअल माप के साथ तुलना में, प्रस्तावित प्रोटोकॉल काफी दक्षता और माइक्रोन स्केल phenotypic ठहराव की सटीकता में सुधार होगा ।
Introduction
मक्का संवहनी प्रणाली पूरे संयंत्र के माध्यम से चलाता है, जड़ से और पत्तियों को स्टेम, जो पानी पहुंचाने के लिए प्रमुख परिवहन रास्तों रूपों, खनिज पोषक तत्वों, और कार्बनिक पदार्थ1। संवहनी प्रणाली का एक अंय महत्वपूर्ण कार्य के लिए मक्का संयंत्र के लिए यांत्रिक सहायता प्रदान करना है । उदाहरण के लिए, जड़ों और तनों में संवहनी बंडलों की आकृति विज्ञान, संख्या, और वितरण मक्का पौधों2,3के वृद्धाश्रम प्रतिरोध करने के लिए बारीकी से संबंधित हैं । वर्तमान में, संवहनी बंडलों की संरचनात्मक संरचना पर अध्ययन मुख्यतः सूक्ष्म और ultramicroscopic तकनीक का उपयोग करने के लिए स्टेम, पत्ती, या रूट के एक निश्चित हिस्से की संरचनात्मक संरचनाओं को प्रदर्शित करने, और फिर माप और इन संरचनाओं की गिनती मैनुअल जांच द्वारा ब्याज । निस्संदेह, बड़े पैमाने पर microimages में विभिंन सूक्ष्म संरचनाओं के मैनुअल माप एक बहुत ही थकाऊ और अक्षम काम है और गंभीर रूप से microphenotypic लक्षण की परिशुद्धता सीमा, इसके मनोवाद और असंगति 4 के कारण, 5.
खाद्यान की कोई द्वितीयक वृद्धि नहीं है, और कोशिका सामग्री मूलतः प्राथमिक meristem में पानी के होते हैं । बिना किसी उपचार के, मक्का के ऊतकों के ताजा नमूनों को सीधे एक माइक्रो-सीटी डिवाइस का उपयोग करके स्कैन किया जा सकता है; हालांकि, स्कैनिंग के परिणाम शायद गरीब और किसी न किसी । मुख्य कारणों के रूप में संक्षेप में इस प्रकार हैं: (1) संयंत्र के ऊतकों की कम क्षीणन घनत्व, परमाणु संख्या और छवियों में उच्च शोर के एक कम विपरीत में जिसके परिणामस्वरूप; (2) ताजा संयंत्र सामग्री निर्जलीकरण और सामांय स्कैनिंग वातावरण के दौरान हटना करने के लिए प्रवण हैं, के रूप में Du6द्वारा सूचना दी । abovementioned समस्याओं के विकास और मक्का, गेहूं, चावल, और अंय monocotyledons के लिए microphenotyping प्रौद्योगिकी के आवेदन के लिए मुख्य बाधाएं बन गए हैं । यहां, हम मक्का स्टेम, पत्ती, और जड़ के नमूनों का इलाज करने के लिए ‘ नमूना तैयारी प्रोटोकॉल ‘ का परिचय । इस प्रोटोकॉल सीटी स्कैनिंग के दौरान निर्जलीकरण और संयंत्र सामग्री की विकृति से बचा जाता है; इस प्रकार nondeformation के साथ पौधे के नमूनों का संरक्षण समय बढ़ाने के लिए लाभकारी है । इसके अलावा, ठोस आयोडीन के आधार पर रंगाई कदम भी संयंत्र सामग्री के विपरीत बढ़ाता है; इस प्रकार, यह माइक्रो सीटी के इमेजिंग गुणवत्ता में महत्वपूर्ण सुधार करता है । इसके अलावा, हम छवि प्रसंस्करण सॉफ्टवेयर विकसित, VesselParser नाम, मक्का उपजी और पत्तियों की सीटी छवियों को संसाधित करने के लिए. इस सॉफ्टवेयर को एकीकृत करता है छवि प्रसंस्करण पाइपलाइनों का एक सेट करने के लिए उच्च प्रवाह और स्वत: phenotyping विश्लेषण करने के लिए 2-D सीटी विभिन्न संयंत्र के ऊतकों की छवियों. मक्का स्टेम और पत्ती के पूरे पार अनुभाग में संवहनी बंडलों का पता लगाया, निकाले जाते हैं, और एक स्वचालित छवि प्रसंस्करण विधि का उपयोग कर की पहचान की. एक परिणाम के रूप में, हम मक्का स्टेम के 31 सूक्ष्म phenotypes और मक्का पत्ती के ३३ सूक्ष्म phenotypes प्राप्त करते हैं । मक्का रूट की सीटी छवि श्रृंखला के लिए, हम एक छवि प्रसंस्करण योजना metaxylem जहाजों के 3 डी phenotypic लक्षण प्राप्त करने के लिए विकसित की है । यह योजना पारंपरिक तरीकों की तुलना में छवि अधिग्रहण और पुनर्निर्माण की कुशलता में बेहतर है ।
इन परिणामों से संकेत मिलता है कि छवि प्रसंस्करण सामांय एक्स-रे माइक्रो सीटी की इमेजिंग विशेषताओं पर विचार पाइपलाइन संवहनी बंडलों की सूक्ष्म phenotyping के लिए एक प्रभावी तरीका प्रदान करते हैं; यह बहुत संयंत्र विज्ञान में सीटी तकनीक के आवेदनों को चौड़ा और सेलुलर संकल्प6,7पर संयंत्र सामग्री के स्वत: phenotyping में सुधार ।
Protocol
Representative Results
Discussion
जैव चिकित्सा और सामग्री विज्ञान के क्षेत्रों में सीटी प्रौद्योगिकी के सफल आवेदन के साथ, इस तकनीक को धीरे से वनस्पति विज्ञान और कृषि के क्षेत्रों में शुरू किया गया है, एक आशाजनक तकनीकी उपकरण के रूप में स…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस शोध को राष्ट्रीय प्रकृति विज्ञान फाउंडेशन ऑफ चाइना (No 31671577) द्वारा समर्थित किया गया था, विज्ञान और प्रौद्योगिकी नवाचार विशेष निर्माण वित्त पोषित कार्यक्रम बीजिंग कृषि और वानिकी विज्ञान अकादमी (KJCX20180423), अनुसंधान चीन के विकास कार्यक्रम (2016YFD0300605-01), बीजिंग प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन (५१७४०३३), बीजिंग Postdoctoral रिसर्च फाउंडेशन (२०१६ ZZ-६६), और बीजिंग कृषि और वानिकी विज्ञान अनुदान (KJCX20170404) के अकादमी, ( 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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