חילוץ מדדים עבור מערכות רוט תלת ממדי: ניתוח עוצם Surface מן הנתונים-אדמת רנטגן טומוגרפיה הממוחשבת
Summary
מתודולוגיה לשם קבלת תמונת מצב מבנה שורש ויזואלית וכמותית מנתוני טומוגרפיה ממוחשבת רנטגן שנרכשו-קרקע מוצגת.
Abstract
שורשי צמח לשחק תפקיד קריטי אינטראקציות צמח אדמת חיידק המתרחש rhizosphere, כמו גם תהליכים עם השלכות חשובות לשינוי האקלים וניהול יבול. מידע גודל כמותי על השורשים בסביבה מולדתם לא יסולא בפז ללימוד צמיחה שורש תהליכים סביבתיים מעורבים צמחים. רנטגן טומוגרפיה הממוחשבת (XCT) הודגם להיות כלי יעיל עבור באתרו שורש סריקה וניתוח. החוקרים ביקשו לפתח כלי costless ויעיל המדמה את פני השטח והנפח של שורש ללא קשר צורתו מנתונים טומוגרפיה תלת ממדי (3D). מבנה השורש של dropseed Prairie (heterolepis Sporobolus) דגימה הייתה צלם באמצעות XCT. השורש שוחזר, ואת מבנה השורש העיקרי היה שחולץ מן הנתונים באמצעות שילוב של תוכנה ברישיון קוד פתוח. רשת מצולעים isosurface ואז נוצר על מנת להקל על ניתוח. פתחנו tהוא עצמאי יישום imeshJ, שנוצר ב MATLAB 1, כדי לחשב נפח שורש ושטח פנים מן הרשת. התפוקות של imeshJ הן שטח פנים (במ"מ 2) ואת הנפח (במ"מ 3). התהליך, תוך ניצול שילוב ייחודי של כלים מהדמית ניתוח שורש כמוני, מתואר. שילוב של XCT ותוכנות קוד פתוח התבררו שילוב רב עצמה למפעל תמונה פולשנית דגימות שורש, נתוני שורש מגזר וכן לחלץ מידע כמוני מנתוני 3D. מתודולוגיה זו של עיבוד נתוני 3D צריכה לחול על מערכות מדגם חומר / אחרים בם מתקיימים קשר בין מרכיבי הנחתת רנטגן דומה קשיים עם פילוח.
Introduction
שורשים, כחלק rhizosphere 2-5, מייצגים חלק "בלתי נראה" של ביולוגית צמח מאז אדמה מקשה לשורשי תמונה הלא פולשני 6, 7. עם זאת, אשר חקרו את גידול שורש ואינטראקציה בסביבת האדמה הוא קריטי להבנה צמיחת שורש / צמח ורכיבה על אופניים מזינים, אשר בתורו משפיע על ביטחון ייעור, מזון, ואקלים. רנטגן טומוגרפיה הממוחשבת (XCT) הוכיח להיות כלי רב ערך עבור הדמיה לא פולשנית של דגימות צמח שורש הסביבה המקומית שלהם 8. על מנת למדוד לפיתוח שורש ושינויים ממדיים בתנאים שונים, ולהיות מסוגל להשוות נתונים ממערכות נתונים / דגימות שונות, צריך לחלץ מידע כמוני מנתוני טומוגרפיה. פילוח נתוני שורש מזו של הקרקע שמסביב, כלומר, את הבידוד של תמונת שורש מכל דבר אחר סביבו (כולל, למשל, מפעל שכן) הוא שלב קריטי לפני ACCUניתן לעשות ניתוח גודל שיעור. עם זאת, גישת thresholding פשוטה היא לעתים קרובות אינה עומדת על פרק עבור נתוני שורש. האתגרים קשורים שורש צמח הדמיה בקרקע כוללים וריאציות במאפייני הנחתת רנטגן של החומר שורש, ואת החפיפה בערכי הנחתה בין השורש ואדמה הנגרמת על ידי מים וחומר אורגני. בעיות אלה נפתרו להפליא לאחרונה על ידי אל Mairhofer et. בכלי המעקב החזותיים שלהם 7 RooTrak, 9. השלב הבא לאחר פילוח מוצלח היא הקביעה המדויקת של נפח שורש ושטח פנים. עוצמת השמע עשוי להיות מוערך על ידי ספירת מספר ווקסלים ומתרבים על ידי לקוביות בגודל 'ווקסלים כמוצגים לפני 7. לשם קביעה מדויקת יותר של שטח פן שורש נפח, isosurface של מערכת השורשים המפולחת יכול להיות מיוצג על ידי רשת של משולשים, באמצעות אלגוריתם המכונה Marching קוביות 10. החלל הפתוח מקור ImageJ 11 יכול להיות מועסק על מנת להתקרב הנפח שורש דואר מבוסס על אלגוריתם הקוביות הצועדות. למיטב ידיעתנו, רק מספר מצומצם של תוכנות קוד פתוח מוקדש חישוב נפח מבוסס טומוגרפיה / נתונים משטחים עבור דגימות שורש בטווח הסנטימטר ומעלה זמין בשלב זה 12. אחת תוכנות קוד פתוח הסתכלנו 13 מתמקדות צמיחת שורש נועדו תכונות הסלולר המאפשרות ניתוח נפח כמותית ברזולוצית תא בודד. כמה תוכנות קוד פתוח מוקדש מערכות שורש כל 14 מצוינות למערכות שורש צינורי בקוטר קטן מבוססות על הקירוב כי צורתם היא למעשה צינורי. עם זאת, קצת עבודה עם תמונות 2D ו אינן מסוגלות להתמודד עם 3D ערימות 14. יתר על כן, קירוב הצורה צינורי אינו תקף כאשר מערכות שורשים עם משטחים קשים וצורות לא אחידים, כמו אלה של עצים, נלמדות. גישה נוספת 15 משתמשת דו ממדים (2D) רצפי תמונות סיבוב העקיפים חדשן הדואר צריך עבור סורק CT יקר. הוא מודד, תקליטים, ומציג לעקור אורכי המערכת. התוכנה בדקנו מאלו רק זמינים מסחרית 16-18; הוא אינו מופיע כדי להיות מסוגל להתמודד עם תמונת 3D ערימות 16, השני הוא מדידת אורך עלה באזור ושורש כלי 17, ואילו השלישי מבוסס על ניתוח צבע 18. בהתבסס על סקר זה, אנו מציעים אפשרות costless המדמה את פני השטח והנפח של שורש ללא קשר צורתו מנתונים טומוגרפיה 3D רצוי.
בונה על RooTrak בחופשיות הזמינה ImageJ, פתחנו תכנית, בשם imeshJ (ראה קובץ קוד משלימה) שמעבד רשת isosurface (קובץ stereolithography שטח) שנוצרה מנתוני שורש מפולחים, ומחשב את שטח נפח השטח של השורש ידי לעשות חישובים גיאומטריים פשוטים על נתוני מדד משולש רשת. כאן אנו מדווחים על שיטה המשלבת את השימוש הדמיה XCT,שחזור נתונים להדמיה (3D Pro התוכנה CT ו- VG סטודיו), פילוח של השורש של הדגימה מהקרקע בנתוני 3D (ImageJ תוכנה עם קוד פתוח RooTrak), והפקת המידע השטח והנפח של רשת משולשת (ImageJ ואת imeshJ קוד מחשב).
Protocol
Representative Results
Discussion
שילוב של טומוגרפיה ממוחשבת רנטגן וכמה תוכניות קוד פתוח התברר שילוב רב עצמה למפעל תמונה פולשנית דגימות שורש, נתוני שורש מגזר וכן לחלץ מידע כמוני (שטח פנים ונפח) מנתוני 3D. היכולת שלנו לחזות ולמדוד תכונות מוגבלות תמיד על ידי רזולוציית סריקה, כמו גם על ידי מגבלות של תוכנת …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was performed in the Environmental Molecular Sciences Laboratory, a national scientific user facility sponsored by the Department of Energy’s Office of Biological and Environmental Research and located at Pacific Northwest National Laboratory.
Materials
| X-Tek/Metris XTH 320/225 kV | Nikon Metrology | n/a | X-ray tomography scanner |
| Inspect X | Nikon Metrology | n/a | Instrument control software |
| CT Pro 3D | Nikon Metrology | n/a | Reconstruction software, version XT 2.2 |
| VG Studio MAX | Visual Graphics GmbH | n/a | Visualization software for 3D volumes, version 2.1.5 |
| ImageJ | Open-source | n/a | Image processing and analysis software, version 1.6 |
| RooTrak | Open-source | n/a | Root segmentation software, version 0.3.1-b1 beta |
| imeshJ | EMSL | n/a | MATLAB script developed by the authors |
| Prairie dropseed grass sample | n/a | n/a | Sample obtained from ground in residential area |
References
- 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).
- Anderson, S. H., Hopmans, J. W. . Soil-Water-Root Processes: Advances in Tomography and Imaging. , (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).
- 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! Available from: https://www.cid-inc.com (2013)
- 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).
