Summary
ويرد منهجية للحصول على معلومات بنية الجذر البصرية وكمية من الأشعة السينية حسابها بيانات التصوير المقطعي المكتسبة في التربة.
Abstract
جذور النباتات تلعب دورا حاسما في تفاعلات النباتات والتربة ميكروب التي تحدث في منطقة الجذور، وكذلك العمليات التي لها آثار هامة لتغير المناخ وإدارة المحاصيل. معلومات حجم الكمية على جذور في بيئتها الأم لا تقدر بثمن لدراسة نمو الجذور والعمليات البيئية التي تنطوي على النباتات. وقد أظهرت الأشعة السينية التصوير المقطعي (XCT) لتكون أداة فعالة لفي الموقع مسح الجذور والتحليل. نحن تهدف إلى تطوير عملية دون كلفة وكفاءة الأداة التي يقارب سطح وحجم الجذر بغض النظر عن شكله من البيانات ثلاثي الأبعاد (3D) التصوير المقطعي. هيكل جذر dropseed المرج تم تصوير (heterolepis Sporobolus) عينة باستخدام XCT. أعيد بناء الجذرية، واستخراج بنية الجذر الأساسي من البيانات باستخدام مجموعة من البرامج المرخصة ومفتوحة المصدر. ثم تم إنشاء شبكة مضلعة isosurface لسهولة التحليل. لقد قمنا بتطوير رانه تطبيق مستقل imeshJ، ولدت في MATLAB 1، لحساب حجم الجذر ومساحة من شبكة. مخرجات imeshJ هي مساحة (مم 2) وحجم (مم 3). عملية، وذلك باستخدام مزيج فريد من الأدوات من التصوير لتحليل جذور الكمي، يوصف. مزيج من XCT والبرمجيات مفتوحة المصدر ثبت أن تكون تركيبة قوية لعينات جذور النباتات الصورة، والبيانات جزء الجذر، وnoninvasively استخراج المعلومات الكمية من البيانات 3D. وينبغي أن تكون هذه المنهجية من معالجة البيانات 3D ينطبق على أنظمة المواد / عينة الأخرى التي يوجد فيها الربط بين مكونات مماثلة توهين الأشعة السينية والصعوبات تنشأ مع تجزئة.
Introduction
الجذور، كجزء من منطقة الجذور 2-5، تمثل جزءا "غير مرئية" من بيولوجيا النبات منذ التربة يجعل من الصعب جذور صورة غير جراحية 6 و 7. ومع ذلك، ودراسة نمو الجذور والتفاعل ضمن بيئة التربة أمر بالغ الأهمية لفهم الجذر / نمو النبات وتدوير المغذيات، والتي بدورها تؤثر على التشجير، والأمن الغذائي، والمناخ. وقد أثبتت الأشعة السينية التصوير المقطعي (XCT) ليكون أداة قيمة للتصوير موسع من عينات جذور النباتات في البيئات المحلية 8. من أجل قياس التنمية الجذرية والتغيرات الأبعاد في ظل ظروف مختلفة، وتكون قادرة على مقارنة البيانات من مختلف قواعد البيانات / العينات، ويحتاج المرء لاستخراج المعلومات الكمية من البيانات التصوير المقطعي. تجزئة البيانات الجذر من أن التربة المحيطة بها، وهذا هو، وبمعزل عن صورة الجذر من كل شيء حوله (بما في ذلك، على سبيل المثال، وهو نبات المجاورة) هو خطوة حاسمة قبل هددتويمكن أن يتم تحليل حجم معدل. ومع ذلك، فإن نهج العتبة بسيط في كثير من الأحيان غير مجدية للبيانات الجذر. التحديات المرتبطة جذور النباتات التصوير في التربة وتشمل الاختلافات في خصائص توهين الأشعة السينية من المواد الأساسية، وتداخل في القيم توهين بين الجذر والتربة الناجم عن الماء والمواد العضوية. هذه القضايا تم تناولها بطريقة رائعة في الآونة الأخيرة من قبل Mairhofer وآخرون. في هم أداة تتبع بصرية RooTrak 7 و 9. والخطوة التالية بعد تجزئة ناجحة هو تحديد دقيق لحجم الجذر ومساحة السطح. ويمكن تقدير حجم عن طريق حساب عدد من voxels وضرب من قبل مكعبة حجم voxels "كما هو موضح قبل 7. لتحديد أكثر دقة من مساحة سطح الجذر وحدة التخزين، وisosurface من نظام الجذر مجزأة يمكن أن يمثله شبكة المثلثات، وذلك باستخدام خوارزمية يعرف مكعبات زحف 10. المصدر المفتوح يماغيج 11 يمكن أن تستخدم لتقريب عشرحجم الجذر ه بناء على خوارزمية زحف مكعبات. إلى حد علمنا، سوى عدد محدود من البرمجيات المفتوحة المصدر مخصصة لحساب حجم البيانات / سطح القائم على التصوير المقطعي لعينات الجذر في مجموعة سنتيمتر وأعلاه هو متاح 12 حاليا. أحد برمجيات المصدر المفتوح ونحن ننظر في 13 يركز على نمو الجذور ويهدف إلى ميزات الخلوية مما يتيح تحليل حجم الكمي في قرار وحيد الخلية. بعض البرامج المفتوحة المصدر مخصصة لنظم الجذور كلها 14 ممتاز لأنظمة أنبوبي الجذرية ذات القطر الصغير على أساس تقريب أن شكلها هو أنبوبي الواقع. ومع ذلك، بعض الأعمال مع الصور 2D وغير قادرين على التعامل مع 3D مداخن 14. وعلاوة على ذلك، قد لا يكون شكل تقريبي أنبوبي صالح عندما نظم الجذور مع السطوح الخشنة وأشكال غير موحدة، مثل تلك الأشجار، ودراستها. وثمة نهج آخر 15 يستخدم ثنائي الأبعاد (2D) تسلسل صورة التناوب التحايل مبتكر عشرونحتاج إلى لماسح التصوير المقطعي مكلفة. فهو يقيس والسجلات ويعرض الجذر أطوال النظام. البرنامج اختبرناها من تلك الوحيد المتاح تجاريا 16-18. واحد لا يبدو أن تكون قادرة على التعامل مع صورة 3D مداخن 16، والثاني هو مساحة الورقة والجذر قياس طول أداة 17، بينما يستند الثالث على تحليل اللون 18. وبناء على هذه الدراسة، فإننا نقترح أن الخيار تقدر بثمن يقارب السطح وحجم الجذر بغض النظر عن شكله من بيانات التصوير المقطعي 3D هو مرغوب فيه.
بناء على RooTrak متاحة بحرية ويماغيج، وقد وضعنا برنامجا اسمه imeshJ (انظر الرمز الإضافي ملف) الذي يعالج على شبكة isosurface (سطح ملف المجسمة) التي تم إنشاؤها من البيانات الجذر مجزأة، وبحساب حجم ومساحة السطح من الجذر إجراء الحسابات الهندسية بسيطة على شبكة بيانات مؤشر مثلث. نحن هنا الإبلاغ عن الأسلوب الذي يجمع بين استخدام التصوير XCT،إعادة بناء البيانات والتصور (برنامج CT برو 3D وVG ستوديو)، وتجزئة من جذر عينة من التربة في بيانات 3D (مفتوح المصدر يماغيج البرمجيات وRooTrak)، واستخراج المعلومات السطحية وحجم من شبكة الثلاثي (يماغيج ورمز imeshJ الكمبيوتر).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
تحذير: هذه العملية من ماسح الأشعة السينية التصوير المقطعي يتطلب تدريبا إشعاع العام، والتدريب على السلامة من الإشعاع أداة محددة. وينبغي أن يتبع جميع الإجراءات المقابلة ذات الصلة إلى مختبر مجرب.
التصوير 1. الجذر
ملاحظة: توضح هذه الخطوة التصوير من عينة العشب الذي عقد في التربة الأصلية في وعاء من البلاستيك أنبوبي (أنبوب بلاستيكي بقطر 40 ملم، وارتفاعها 210 ملم، وسمك الجدار حوالي 2 مم).
- وضع النبات المحفوظ بوعاء على مناور عينة من أداة في المسافة المطلوبة لتكبير الهدف. لمصنع في حامل قطرها 2 بوصة، وينبغي أن تكون عينة لمسافة مصدر حوالي 3 بوصات (7 سم).
- ضبط إعدادات المسح الضوئي بالأشعة السينية لتحقيق اللون الأمثل (مستوى الرمادي) التباين في صورة كاشف. ملاحظة: تتوفر هذه الإعدادات في برنامج حاسوبي لمراقبة الأداة المستخدمة.
- مجموعة إعدادات الطاقة الأشعة السينية. تم استخدام 85 كيلو فولت أمبير و 190 في هذا الامتحانسبيل.
- تعيين وقت التعرض. هنا، كانت تستخدم وقت التعرض لفترة طويلة نسبيا من 1 ثانية لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
- عدد مجموعة من التوقعات ولقطة في الإسقاط. 4 إطارات في إسقاط أي ما مجموعه 3142 التوقعات ويقترح لإحصاءات بيانات جيدة.
- تشغيل تصحيح التظليل باستخدام شروط القياس المبينة أعلاه عن طريق اختيار "تصحيح تظليل" علامة التبويب، والنقر على "إنشاء".
ملاحظة: تصحيح التظليل يعوض عن الاختلاف في استجابة بكسل جهاز التصوير عندما مضيئة مع مجموعة ثابتة من تدفق الأشعة السينية. وتستغرق العملية صور فارغة (مع عينة إزالتها من مسار الشعاع) مع شعاع الأشعة السينية تشغيل، ومع شعاع إيقاف. يتم تطبيق هذا التصحيح لجميع الصور التي تم جمعها. - حدد الخيار "تصغير القطع الأثرية عصابة" (وتسمى أيضا "وضع مكوكية")؛ سيتم تدوير العينة في الخطوات الزاوي في حين يتم الحصول على صور الإسقاط. وهذا يؤدي إلى داتاقتناء بمعدل أبطأ، ولكن يساعد في القضاء على القطع الأثرية الحلبة.
- بدء المسح الضوئي عن طريق النقر على زر "اكتساب" تحت علامة التبويب اقتناء (مع الإعدادات المبينة أعلاه، وجمع الصور تأخذ ما يقرب من 4 ساعات).
إعادة إعمار 2. البيانات
ملاحظة: يصف هذا القسم إعادة بناء البيانات حجم 3D من الصور الخام (الأشعة من الاشعة المقطعية).
- تحميل البيانات الخام في البرنامج.
- قارن الصورة الأولى والأخيرة (يجب أن تكون متطابقة تقريبا كما يتم أخذ الصورة الأخيرة بعد دوران 360 س من العينة) للتأكد من العينة لم يتحرك أو لم إعدادات الفحص لن تتغير خلال الحصول على البيانات.
- حساب مركز الدوران (مجلس النواب) عن طريق اختيار علامة التبويب "مركز الدوران"، والنقر على "ابدأ". خيارات استخدام "تلقائي" مجلس النواب تجد مع "عالية الجودة" دقة، و "المزدوج" (العلوي والسفلي) شريحة الصورةالانتخابات لمجلس النواب حساب.
- تحديد حجم العينة من أجل إعادة بنائها: حدد "حجم" علامة التبويب، وتحرير النوافذ اختيار الصوت باستخدام الصور المصغرة.
- أداء إعادة الإعمار لإنشاء ملف تخزين تحتوي على بيانات 3D عن طريق النقر على "ابدأ".
3. معالجة البيانات / الإنقسام
ملاحظة: يصف هذا القسم الخطوات الواجب اتخاذها لإعداد البيانات التي أعيد بناؤها لمزيد من المعالجة في RooTrak برنامج لتتبع جذور لأنها تتفرع من خلال التربة، وعزل جذور من أي مواد المحيطة لإنتاج كومة من الصور ثنائية فقط الجذر نفسه.
- معالجة البيانات حجم في ImageJ لإعداد RooTrak كومة صورة للمعالجة:
- تحميل ملف تخزين في يماغيج.
- تحسين تباين الصورة بين الجذر والتربة عن طريق ضبط السطوع والتباين الإعدادات (إضغط الصورة / ضبط / السطوع / التباين). عندما المنطقة ذات الاهتمام داخل الصورة واضحة وجتمييزها learly، ويعتبر الأمثل الإعدادات.
- باستثناء ما رصة صور في JPEG، BMP، أو شكل بابوا نيو غينيا.
- المعالجة في RooTrak إلى جزء من الجذر:
- تحميل كومة الصورة في RooTrak (انتقل إلى "أدوات" علامة التبويب، ثم اضغط على "المقتفي").
- نقاط البذور داخل مجموعة الجذر: انقر فوق عدة نقاط داخل كل قسم من الأقسام الجذرية ذات الصلة واضحة في أعلى شريحة نظرا لحجم البيانات.
- تعيين المعلمات تعقب "النعومة" و "التشابه" إلى 0.3 و 0.8 على التوالي.
- تشغيل وظيفة التتبع. هذا وسوف تتبع جذورها من أعلى شريحة صورة كل وسيلة لشريحة أسفل.
- بعد الاطلاع على حجم البيانات، حدد عدد من شرائح وفقا لحجم البيانات صالحة للاستعمال. في هذه الحالة، تم إيقاف تتبع في 200 شرائح، أي ما يعادل عمق 6.2 ملم، حيث أصبحت الحدود الجذر سيئة التحديد (صورة الجذر تعقب بدأت في الذوبان في أن من التربة).
لاحظ السيتم حفظ كومة الصورة الناتجة تلقائيا إلى أي مكان تم إنشاء دليل الإخراج.
4. حجم وتحليل السطح
ملاحظة: توضح هذه الخطوة في شبكة الجيل isosurface من المكدس الصورة التي أنشأتها RooTrak.
- تحويل صورة كومة من RooTrak في شكل صورة ثنائي في ImageJ. حدد "عملية"، ثم "ثنائي"، ثم "جعل ثنائي".
- استخدام يماغيج المساعد مفتوح المصدر، BoneJ، لإنشاء شبكة الثلاثي. في ImageJ حدد "الإضافات"، ثم "BoneJ"، ثم "Isosurface".
- ضبط "اختزال" و "عتبة" إلى 6 و 120 على التوالي (الإعدادات الافتراضية). اختيار "إظهار سطح"، واضغط على زر "موافق".
- على "المشاهد 3D" انقر فوق علامة التبويب ملف، ثم على "السطوح تصدير"، ثم حفظ باسم "المحكمة الخاصة بلبنان (ثنائي)".
- مفتوحة imeshJ، حدد ملف المحكمة الخاصة بلبنان وأدخل حجم فوكسل في ميكرون. انقر على "Calculate المساحة بالمتر المربع "إلى الحصول على مساحة سطح العينة جذر الكلية في مم 2. وبالمثل، انقر فوق" حساب حجم "للحصول على الحجم الإجمالي للعينة الجذرية في ملم 3.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
عينة تتكون من اثنين من سيقان العشب الأصلي المرج dropseed (Sporobolus heterolepis) والتربة الأصلية في جميع أنحاء تم نقله من منطقة سكنية، ووضعها في حامل على شكل أنبوب صغير مبين في الشكل 1. وكان بناؤها حجم فوكسل بيانات ما يقرب من 31 ميكرون × 31 × 31 ميكرون ميكرون. تم استخدام ملف حجم أعيد إلى إنشاء كومة من الصور من التوجه مختارة (رأي كبار) باستخدام مفتوح المصدر برنامج لمعالجة الصور يماغيج 1.6 11. وقد أشرقت حجم البيانات أيضا في هذا البرنامج لزيادة التباين بين القيم الجذرية والتربة. من البيانات التي أعيد بناؤها، كان من الواضح أن الجذر وبعض مكونات التربة والمواد العضوية الأكثر احتمالا، لديها عوامل مشابهة جدا للأشعة السينية التوهين مما أدى إلى قليل من دون النقيض مقياس الرمادية في الصور (الشكل 2).
RooTrak، البرنامج المستخدم للتجزئة، هو برنامج مفتوح المصدر وضعت في مركز البيولوجيا التكاملية النبات في جامعة نوتنغهام 7. وهي مصممة خصيصا لتتبع جذور لأنها تتفرع من خلال التربة، وعزل الجذور من المواد المحيطة بها لإنتاج كومة من الصور ثنائية. وقد تبين RooTrak لإنتاج الإنقسامات أفضل من العتبة بسيطة للبيانات الجذر 7 و 9. وقد تم اختيار نقطة البذور داخل كل قسم من الأقسام الجذرية ذات الصلة واضحة في شريحة العليا من حجم البيانات (الشكل 3) ثم وظيفة تتبع البرنامج تم تشغيل. تم تعيين المعلمات RooTrak "النعومة" و "التشابه" إلى 0.3 و 0.8 على التوالي. هذا النطاق يوفر باستمرار فصل قيمة الرمادي جيدة ويعزل المنطقة ذات الاهتمام جيدا. RooTrak مجزأة بنجاح المحدد 200 شرائح من حجم البيانات (الشكل 4)، أي ما يعادل عمق 6.2 مم. انظر segme ntation من الجذر في ملف الرسوم المتحركة (Rootvideo.mov).
وقد استخدم يماغيج لتوليد شبكة الثلاثي، isosurface من حجم 3D (تقارب سطح الجذر معزولة) من البيانات التي تنتجها RooTrak (الشكل 5). وقد تم اختيار الإعدادات الافتراضية المستخدمة ل "اختزال" و "العتبة" في ImageJ المساعد BoneJ (انظر 4.3 في البروتوكول) لأنها تنتج isosurface مفصلة بطريقة سريعة نسبيا. وضبط مستوى اختزال يؤثر على مقدار الوقت الذي يستغرقه لتقديم isosurface. تم حفظ شبكة في شكل المحكمة الخاصة بلبنان، وكان يستخدم imeshJ لحساب مساحة وحجم شبكة. لحجم أعيد بناؤها في هذه الدراسة، كانت مساحة محسوبة 351.87 مم 2، وحجم 47.27 مم 3 (انظر الشكل 6).
"SRC =" / ملفات / ftp_upload / 53788 / 53788fig1.jpg "/>
الشكل 1. العينة الحية المستخدمة في الدراسة. وكان تصوير العينة العشب في ترابه الوطني في 7 "طويل القامة، و 1.5" وعاء من البلاستيك قطر. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2. مشكلة الإنقسام اليسار: عرض أعلى شريحة أفقية من العينة تبين المواد العضوية مكونات (OM) من مستوى الرمادي مماثلة لتلك التي من الجذر اليمين: تقديم 3D من بيانات تظهر كافة المكونات التي هي من اللون الرمادي مماثل مستوى إلى الجذر. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
. الشكل 3. نقطة البداية في RooTrak الأعلى المتبقية: أعلى رأي شريحة من حجم البيانات حيث بدأ البذر؛ أعلى اليمين: يتم وضع علامة رأي تضاف شريحة من الساحة الحمراء في الشكل الأيسر، ويتم اختيار نقاط البذور داخل الجذر ذات الصلة . المقطع العرضي، أسفل: يتم تحديد الجذر المشبعة في اللون الأحمر للتجزئة الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4. مقارنة بين شرائح من RooTrak ثلاثة أزواج تمثيلية من أهم شرائح الرأي من مختلف "آفاق" يظهر الجذر مجزأة RooTrak. (A - B): أعلى شريحة وشريحة المقابلة من جذع مجزأة. (C - D): المنطقة منتصف شريحة وشريحة المقابلة من الجذر مجزأة. (E - F): منطقة أسفل شريحة وشريحة المقابلة من الجذر مجزأة الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 5. Isosurface من الجذر كما تم الاستيلاء عليها من يماغيج. كان يقترب سطح الجذر شبكة الثلاثي. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
مزيج من الأشعة السينية التصوير المقطعي والعديد من البرامج المفتوحة المصدر ثبت أن تكون تركيبة قوية لعينات جذور النباتات الصورة، والبيانات جزء الجذر، وnoninvasively استخراج المعلومات الكمية (مساحة السطح والحجم) من البيانات 3D. لدينا القدرة على تصور وقياس ملامح يقتصر دائما دقة المسح الضوئي، فضلا عن القيود المفروضة على البرمجيات RooTrak. ومع ذلك، كان قرار المسح كافية لالتقاط معظم ملامح العينة في هذه الدراسة، وكان RooTrak قادرا على بنجاح جزء جزء كبير من جذورها. لم إصدار RooTrak العاملين في هذا العمل لا تتبع قطاعات السفر الجذر الصعودية (المتفرعة التصاعدي لم يكن موجودا إلى حد كبير في العينة المدروسة هنا)؛ ويتناول الإصدار الأحدث من برنامج هذه المشكلة 9.
كما ألمح في المقدمة، وأشار استطلاع للأدب أن خيار البرمجيات تقدر بثمن لحساب نظام القبول الجذروكانت ه / منطقة السطح من بيانات التصوير المقطعي 3D على عينات في نطاق سنتيمتر وفوق مرغوب فيه للغاية. أهمية النهج ذكرت هنا هي أنه، بعد مجزأة جذورها، وأنها تعمل مع تنسيق البيانات 3D التي أنشأتها يماغيج برنامج المستخدمة على نطاق واسع. قلب التحليل هو حساب حجم ومساحة السطح الجذر من صورتها يقترب من شبكة الثلاثي. شبكة الثلاثي الناتجة عن يماغيج في شكل تنسيق stl، تمثلها الأرقام القياسية لالمثلثات التي تشكل تقريب السطح. imeshJ استخراج المؤشرات من تنسيق ملف ثنائي وغير قادرة على حساب المساحة السطحية من المؤشرات (والذي هو ببساطة نصف حجم المنتج عبر ناقلات بين الانضمام إلى نقطة [1،2] ونقطة [1،3].) ويتم احتساب حجم عن طريق بناء رباعي الاسطح بين نقاط المثلث وأصل، والعثور على الثلاثي المنتج العددية بين ناقلات موقف مثلث. على الرغم من أن هناك العديد من صesources لمثل هذه الحسابات، كان التحدي لحساب كفاءة المساحة والحجم لتنسجم التي تحتوي على ما يزيد عن 10 ملايين مثلثات (كما هو الحال في الهياكل الجذر أكبر.) من خلال القضاء على الهياكل حلقة من التعليمات البرمجية، التي من شأنها معالجة مثلثات واحدا تلو الآخر، وتنفيذ العديد من الطرق التي تسمح المعالجة في وقت واحد من نقاط البيانات متعددة، كنا قادرين على تشغيل الحسابات على 6 مليون مثلث عيون في أقل من 5 ثوان. وفيما يتعلق حجم العينة، فإن النبات المحفوظ بوعاء في حاوية 20 أونصة تغطي مجموعة كاشف كله تحت نفس التكبير وسيؤدي إلى كومة صورة 2000 شريحة باسم مجموعة البيانات. إذا كان لنا أن استقراء سرعة حساب من كومة 200 شريحة صورة (حجم العينة من الجذر معالجتها في هذه الدراسة، 6.2 ملم) المصنعة في 5 ثوان إلى كومة صورة 2000 شريحة، يجب imeshJ لا يزال معالجة هذا أقل من 1 دقيقة .
المنتجات من هذه الطريقة هي مساحة وحجممن العينة الجذرية، والتي تم تحديدها دون إزالة النبات من التربة، أو تعطيلها بأي شكل من الأشكال. المساحة المحسوبة 351.87 مم 2، وحجم 47.27 مم 3. أخرى، وسيطة، والمنتجات هي التصور 3D للبنية الجذر، وشبكة مثلثة من الجذور (الشكل 6).
الخطوات الحاسمة في البروتوكول هي التصوير الشعاعي الطبقي موسع للعينة لتوفير البيانات مع تباين كثافة كافية (الخطوة 1 في البروتوكول)، وتقسيم الجزء الجذرية للدراسة عن بقية العينة (الخطوة 3)، و حساب حجم الجذر ومساحة من شبكة الثلاثي، isosurface (الخطوة 4). لتحقيق أقصى قدر من التباين كثافة، وقد تم اختيار إعدادات الطاقة الأشعة السينية، 85 كيلو فولت أمبير و 190، على أساس استجابة للكشف عن عينة الحالية؛ سيكون أقل قوة الأشعة السينية وتنتج أدنى تباين الألوان، في حين أن أعلى سلطة قد تشبع كاشف. ميزة مستوى الرسم البياني الرمادية للبرنامج جمع البيانات أدلة المستخدم في اتخاذ قرار بشأن ما إعدادات الطاقة للاستخدام. بشكل عام، عينات التربة والنباتات مع المحتوى العضوي كبير تميل إلى تتطلب أقل (> 100 كيلو فولت) إعدادات الجهد الأشعة السينية.
دقة من المساحة المحسوبة تعتمد على افتراض أن isosurface التي تنتجها يماغيج هو تقريب معقول إلى السطح الفعلي من جذورها. هذا افتراض معقول لشرائح الجذر كبيرة، ولكن قد تكون أقل حتى عندما يتم تصوير جذور ذات أبعاد مماثلة لحجم فوكسل. بالنسبة للعينة في هذه الدراسة، كان حجم الجذر كله وشرائحه مقادير أكبر من حجم فوكسل. و/ BoneJ الإعدادات الافتراضية يماغيج (انظر "عتبة" المعلمة في 4.3 من البروتوكول) مما أدى إلى 3.6x10 -4 مم 2 مثلثات مقابل 9.6x10 -4 يجب أن قدمت مم 2 صورة حجم بكسل على تقدير دقيق من جذر السطحالجرمية. لعينات مع ميزات أصغر حجما تحتاج إلى مزيد من التفاصيل، يمكن زيادة عدد المثلثات تقارب سطح (حجم مثلث انخفض) عن طريق خفض القيمة "عتبة". وسيؤدي هذا في الوقت الحسابية أطول. لشرائح الجذر ذات أبعاد تقترب من حجم فوكسل، يصبح قرار فعال من عنق الزجاجة، لأن التمثيل فوكسل يصبح أقل دقة. دقة هذا الرقم حجم المحسوبة هي أيضا تعتمد على الافتراض المذكور أعلاه، ولكن بدرجة أقل لأن جذور قطرها أصغر تساهم أقل نسبيا لحجم الجذر من مساحة سطح الجذر. ومع ذلك، شريحة أصغر من الجذر يمكن مسحها بنفس فعالية إذا تم تقليل المسافة بين مصدر الأشعة السينية. وبعبارة أخرى، شرائح الجذرية التي تتطلب بيانات ذات دقة أعلى، سيكون من الضروري إعادة فحص في التكبير العالي، ويمكن الحصول على قياسات أكثر دقة. قد تكون دقة حساب المساحة السطحية أيضاتتأثر تجزئة الكمال من الجذر من التربة. في حين لدينا القدرة على التمييز بين الجذر من التربة تعتمد على (مستوى الرمادي) تباين الألوان التي تحققت في خطوة والتصوير، وسوف تحسن من الخطوة تجزئة تساعد على تقليل أي خطأ في الحساب. وضع مدونة جديدة من شأنها تحسين عملية RooTrak تجزئة جارية. تم التحقق من الحساب الذي قام به imeshJ بمقارنة إخراج برنامج بسيطة، العينات واحد مكون من حجم المعروفة ومساحة السطح في مختبرنا.
وينبغي أن تكون هذه المنهجية من معالجة البيانات 3D ينطبق على غيرها من النظم المواد / عينة عندما يكون هناك اتصال بين مكونات مماثلة توهين الأشعة السينية والصعوبات تنشأ مع عينة تجزئة. سوف imeshJ العمل على بيانات 3D من أي مصادر (PET، التصوير بالرنين المغناطيسي) على يتم إنشاء أي كائن من الفائدة طالما رصة صور من البيانات، والذي يستخدم لإنشاء isosurface، وملف المحكمة الخاصة بلبنانيستخدم هذا imeshJ. وينبغي مقارنة المساحة والحجم الأرقام سطح احتساب القيم التي تم الحصول عليها على نفس العينة من قبل وسائل أخرى (لاحقا) لتقييم مدى دقة هذه الحسابات. وهذه المقارنة ستكون مهمة لقدرتنا على مواصلة صقل رمز imeshJ. وتشمل الخطط المستقبلية تطوير أداة تتبع جذور جديدة ورمز imeshJ للتصوير عالية الإنتاجية من عينات جذور النباتات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| X-Tek/Metris XTH 320/225 kV | Nikon Metrology | X-ray tomography scanner | |
| Inspect X | Nikon Metrology | Instrument control software | |
| CT Pro 3D | Nikon Metrology | Reconstruction software, version XT 2.2 | |
| VG Studio MAX | Visual Graphics GmbH | Visualization software for 3D volumes, version 2.1.5 | |
| ImageJ | Open-source | Image processing and analysis software, version 1.6 | |
| RooTrak | Open-source | Root segmentation software, version 0.3.1-b1 beta | |
| imeshJ | EMSL | MATLAB script developed by the authors | |
| Prairie dropseed grass sample | Sample obtained from ground in residential area |
References
- MATLAB. , The Mathworks, Inc. Available from: http://www.mathworks.com/products/matlab (2015).
- McKenzie, B. M. The Rhizosphere: An Ecological Perspective. Eur. J. Soil Sci. 59 (2), 416-417 (2008).
- Farrar, J., Hawes, M., Jones, D., Lindow, S. How roots control the flux of carbon to the rhizosphere. Ecology. 84 (4), 827-837 (2003).
- Gregory, P. J. Roots rhizosphere and soil: the route to a better understanding of soil science? Eur. J. Soil Sci. 57 (1), 2-12 (2006).
- Philippot, L., Raaijmakers, J. M., Lemanceau, P., van der Putten, W. H. Going back to the roots: the microbial ecology of the rhizosphere. Nat. Rev. Microbiol. 11 (11), 789-799 (2013).
- Gregory, P. J., Hutchison, D. J., Read, D. B., Jenneson, P. M., Gilboy, W. B., Morton, E. J. Non-invasive imaging of roots with high resolution X-ray micro-tomography. Plant and Soil. 255 (1), 351-359 (2003).
- Mairhofer, S., et al. RooTrak: Automated Recovery of Three-Dimensional Plant Root Architecture in Soil from X-Ray Microcomputed Tomography Images Using Visual Tracking. Plant Physiol. 158 (2), 561-569 (2012).
- Soil-Water-Root Processes: Advances in Tomography and Imaging. Anderson, S. H., Hopmans, J. W. , Soil Science Society of America. United States. (2013).
- Mairhofer, S., et al. Recovering complete plant root system architectures from soil via X-ray mu-Computed Tomography. Plant Methods. 9, 8 (2013).
- Lorensen, W. E., Cline, H. E. Marching cubes: a high resolution 3D surface construction algorithm. Comput. Graph. 21 (4), 163-169 (1987).
- ImageJ: Image Processing and Analysis in Java. , Available from: http://imagej.nih.gov/ij (2014).
- Lobet, G., Draye, X., Perilleux, C. An online database for plant image analysis software tools. Plant Methods. 9 (38), (2013).
- Schmidt, T., et al. The iRoCS Toolbox - 3D analysis of the plant root apical meristem at cellular resolution. Plant J. 77 (5), 806-814 (2014).
- Galkovskyi, T., et al. GiA Roots: software for the high throughput analysis of plant root system architecture. BMC Plant Biol. 12, 116 (2012).
- Clark, R., et al. 3-Dimensional Root Phenotyping with a Novel Imaging and Software Platform. Plant Physiol. 156, 455-465 (2011).
- RootSnap!. , CID Bio-Science. Available from: https://www.cid-inc.com (2013).
- Skye Leaf Area and Analysis Systems and Root Length Measurement System. , Skye Instruments Limited. Available from: http://www.skyeinstruments.com/products/plant-analysis-systems/leaf-arearoot-length-systems (2014).
- Arsenault, J. L., Pouleur, S., Messier, C., Guay, R. WinRHIZO™ a root-measuring system with a unique overlap correction method. HortSci. 30, 906-906 (1995).
