Estrazione metriche per sistemi di radici tridimensionali: volume e superficie di analisi da In-terreno a raggi X Tomografia Computerizzata dati
Summary
Una metodologia per l'ottenimento di informazioni visive e quantitative struttura radice da computerizzata a raggi X dei dati acquisiti tomografia a-terreno è presentato.
Abstract
Le radici delle piante hanno un ruolo fondamentale nelle interazioni pianta-suolo-microbo che si verificano nella rizosfera, così come i processi con importanti implicazioni per il cambiamento climatico e la gestione delle colture. Le informazioni quantitative formato sulle radici nel loro ambiente nativo è prezioso per studiare la crescita delle radici e processi ambientali che coinvolgono le piante. X-ray tomografia computerizzata (XCT) ha dimostrato di essere uno strumento efficace per la scansione in situ della radice e l'analisi. Abbiamo puntato a sviluppare uno strumento costless ed efficiente che approssima la superficie e il volume della radice indipendentemente dalla forma dai dati tridimensionali (3D) tomografia. La struttura principale di un Dropseed Prairie (heterolepis Sporobolus) esemplare è stato ripreso con XCT. La radice è stata ricostruita, e la struttura della radice primaria è stato estratto dai dati utilizzando una combinazione di software concesso in licenza e open-source. Una maglia poligonale isosuperficie è stato poi creato per facilità di analisi. Abbiamo sviluppato tegli applicazione indipendente imeshJ, generato in MATLAB 1, per calcolare il volume di root e la superficie dalla mesh. Le uscite di imeshJ sono superficie (in mm 2) e il volume (in mm 3). Il processo, utilizzando una combinazione di strumenti da imaging per analisi quantitativa radice, è descritto. Una combinazione di XCT e software open-source ha dimostrato di essere una potente combinazione per non invasivo campioni di radici di piante di immagini, dati radice del segmento, ed estrarre informazioni quantitative dai dati 3D. Questa metodologia di elaborazione di dati 3D dovrebbe essere applicabile ad altri sistemi materiale / campione in cui vi è la connettività tra i componenti di simile attenuazione dei raggi X e le difficoltà sorgono con la segmentazione.
Introduction
Roots, come parte della rizosfera 2-5, rappresentano una parte "invisibile" della biologia vegetale in quanto terreno rende difficile alle radici di immagini non invasivo 6, 7. Tuttavia, studiando la crescita delle radici e l'interazione all'interno dell'ambiente del suolo è fondamentale per la comprensione root / crescita delle piante e il ciclo dei nutrienti, che a loro volta influenzano la forestazione, la sicurezza alimentare, e del clima. X-ray tomografia computerizzata (XCT) ha dimostrato di essere uno strumento prezioso per l'imaging non invasivo di campioni radice vegetale nei loro ambienti locali 8. Al fine di misurare lo sviluppo delle radici e variazioni dimensionali in condizioni diverse, ed essere in grado di confrontare i dati provenienti da diversi set di dati / campioni, si ha la necessità di estrarre informazioni quantitative dai dati tomografia. Segmentazione dei dati radice da quello del terreno circostante, cioè l'isolamento dell'immagine radice da tutto il resto intorno (tra cui, ad esempio, un impianto adiacente) è un passaggio critico prima accuanalisi della dimensione delle rate può essere fatto. Tuttavia, un approccio semplice soglia è spesso impossibile per i dati di radice. Le sfide connesse con le radici delle piante di imaging nel suolo includono variazioni nelle proprietà di attenuazione dei raggi X del materiale radice, e la sovrapposizione di valori di attenuazione tra la radice e suolo causati da acqua e materia organica. Questi problemi sono stati affrontati superbamente recentemente da Mairhofer et al. nella loro strumento di monitoraggio visivo RooTrak 7, 9. Il passo successivo dopo una segmentazione di successo è la determinazione accurata del volume di root e di superficie. Il volume può essere stimata contando il numero di voxel e moltiplicando per dimensione al cubo voxel 'come mostrato prima del 7. Per una determinazione più accurata della superficie della radice e volume, la isosurface del sistema radicale segmentato può essere rappresentato da una maglia di triangoli, utilizzando un algoritmo noto come Marching Cubes 10. La open-source ImageJ 11 può essere utilizzato per approssimare °volume di root e in base all'algoritmo Marching Cubes. Per quanto a nostra conoscenza, solo un numero limitato di software open-source dedicato al calcolo dei dati del volume / superficie tomografia-based per i campioni di root nel campo di centimetri e, soprattutto, è attualmente disponibile 12. Un software open-source abbiamo guardato 13 si concentra sulla crescita delle radici e si rivolge a funzioni cellulari che permettono l'analisi quantitativa volume a risoluzione di una singola cellula. Alcuni software open-source dedicato a sistemi di radici intere 14 è eccellente per i sistemi di root tubolari di piccolo diametro in base al ravvicinamento che la loro forma è in realtà tubolare. Tuttavia, alcuni lavori con immagini 2D e non sono in grado di gestire in 3D stack 14. Inoltre, la forma tubolare approssimazione può non essere valido quando apparati radicali con superfici ruvide e forme non uniformi, come quelle di alberi, sono studiati. Un altro approccio 15 utilizza due-dimensionali (2D) sequenze di immagini di rotazione innovativo eludere °e la necessità di uno scanner CT costosa. Misura, record, e visualizza radice lunghezze di sistema. Il software che abbiamo testato tra quelli disponibili in commercio solo 16-18; uno non sembra essere in grado di gestire immagini 3D pile 16, il secondo è un utensile superficie fogliare e misurazione della lunghezza della radice 17, mentre la terza è basata sull'analisi colore 18. Sulla base di questa indagine, vi suggeriamo di un'opzione a costo zero che approssima la superficie e il volume della radice indipendentemente dalla sua forma a partire dai dati tomografia 3D è desiderabile.
Basandosi sul RooTrak liberamente disponibile e ImageJ, abbiamo sviluppato un programma, chiamato imeshJ (vedi file di codice supplementare), che elabora una maglia isosuperficie (file stereolitografia superficie) generato dai dati radice segmentati, e calcola il volume e la superficie della radice da facendo semplici calcoli geometrici sui dati di maglia indice triangolo. Qui riportiamo un metodo che combina l'uso dell'imaging XCT,ricostruzione e visualizzazione dei dati (software TC Pro 3D e VG Studio), la segmentazione della radice del campione dal terreno nei dati 3D (software open-source ImageJ e RooTrak), e l'estrazione dei dati di superficie e il volume da una maglia triangolare (ImageJ e il codice imeshJ computer).
Protocol
Representative Results
Discussion
Una combinazione di raggi X tomografia computerizzata e diversi programmi open-source ha dimostrato di essere una potente combinazione per non invasivo campioni di radici di piante di immagini, dati radice del segmento, ed estrarre informazioni quantitative (area di superficie e volume) dai dati 3D. La nostra capacità di visualizzare e misurare caratteristiche è sempre limitata dalla risoluzione di scansione, nonché da limitazioni del software RooTrak. Tuttavia, la risoluzione di scansione è stato sufficiente a catt…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
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