Trekke Metrics for Tredimensjonal rotsystemer: Volum og Surface Analysis fra In-jord X-ray computertomografi data

Summary

En metode for å skaffe visuell og kvantitativ rot strukturere informasjon fra X-ray computertomografi data ervervet i-jord er presentert.

Abstract

Planterøttene spille en avgjørende rolle i plante-jord-mikrobe interaksjoner som oppstår i rhizosphere, samt prosesser med viktige implikasjoner til klimaendringer og avling ledelse. Kvantitativ størrelse informasjon om røtter i sitt opprinnelige miljø er uvurderlig for å studere rotvekst og miljømessige prosesser som involverer planter. Røntgen computertomografi (XCT) har vist seg å være et effektivt verktøy for in situ rot skanning og analyse. Vi forsøkte å utvikle en costless og effektivt redskap som er tilnærmet lik overflaten og volumet av roten uavhengig av sin form fra tre-dimensjonale (3D) data tomografi. Roten strukturen i en Prairie dropseed (Sporobolus heterolepis) eksemplar ble avbildes med XCT. Roten ble rekonstruert, og den primære roten strukturen ble hentet fra data ved hjelp av en kombinasjon av lisensierte og åpen kildekode. En isosurface kantet mesh ble deretter opprettet for enkel analyse. Vi har utviklet than stående program imeshJ, generert i MATLAB ^en, for å beregne rot volum og areal fra mesh. Utgangene fra imeshJ er flateareal (i mm ²⁾ og volumet (i mm ^3). Fremgangsmåten anvender en unik kombinasjon av verktøy fra imaging til kvantitativ analyse rot, er beskrevet. En kombinasjon av XCT og åpen kildekode viste seg å være en sterk kombinasjon til invasivt bilde plante rot prøver, segment rot data og hente ut kvantitativ informasjon fra 3D-data. Denne metodikken for å behandle 3D-data bør være aktuelt for andre materialet / prøven system hvor det er tilkobling mellom komponentene i lignende X-ray demping og problemer oppstår med segmentering.

Introduction

Roots, som en del av rhizosphere ^2-5, representerer en "usynlig" del av plantebiologi siden jord gjør det vanskelig å avbilde røtter non-invasiv ^{6, 7.} Men studerer rotvekst og samhandling innenfor jordmiljøet er avgjørende for forståelsen root / plantevekst og nærings sykling, som i sin tur påvirker skog, matsikkerhet og klima. X-ray computertomografi (XCT) har vist seg å være et verdifullt verktøy for ikke-invasiv avbildning av anlegget rot prøver i sine lokalmiljøer ^8. For å måle rotutviklingen og dimensjonsforandringer under forskjellige forhold, og være i stand til å sammenligne data fra forskjellige datasett / prøver, må man trekke ut kvantitativ informasjon fra tomografi-data. Segmentering av de bakenforliggende data fra den omgivende jord, det vil si, isolering av roten bildet fra alt annet rundt det (inkludert, for eksempel, en nærliggende plante) er et kritisk trinn før accusats størrelse analyse kan gjøres. Men det er en enkel thresholding tilnærming ofte unfeasible for rot data. Utfordringene knyttet til bildebehandling planterøttene i jord omfatte variasjoner i de røntgendempingsegenskapene av roten materialet, og overlappingen i dempingsverdier mellom rot og jord forårsaket av vann og organisk materiale. Disse problemstillingene er ypperlig adressert nylig av Mairhofer et al. i deres visuelle verktøy for sporing RooTrak ^{7, 9.} Neste skritt etter en vellykket segmentering er nøyaktig bestemmelse av rot volum og areal. Volumet kan estimeres ved å telle antall lydelementer og multiplisere med de voxel 'størrelse terninger som vist før ^7. For en mer nøyaktig bestemmelse av rot overflateareal og volum, kan det isosurface av den segment rotsystemet være representert ved en maske av trekanter, ved hjelp av en algoritme som kalles Marching kuber ^10. Open-source ImageJ ¹¹ kan brukes til å tilnærme the root volum basert på Marching Cubes algoritmen. Så langt vi kjenner til, bare et begrenset antall av åpen kildekode programvare dedikert til beregning tomografi baserte volum / overflate data for rot eksemplarer i centimeter serien og oppover er tilgjengelig for øyeblikket ^12. En åpen kildekode-programvare har vi sett på ¹³ fokuserer på rotvekst og er rettet mot mobilfunksjoner som muliggjør kvantitative volum analyse på encellede oppløsning. Noen open-source programvare dedikert til hele rotsystemer ¹⁴ er utmerket for liten diameter rørformet rotsystemer basert på tilnærming at deres form er faktisk rørformet. Men en del arbeid med 2D-bilder og er ikke i stand til å håndtere 3D stabler ^14. Videre kan den rørformede formen tilnærming ikke være gyldig når rotsystemer med grove overflater og uensartede former, slik som de av trær, er studert. En annen tilnærming ¹⁵ bruker to-dimensjonale (2D) rotasjonsbildesekvenser innovativt omgår the trenger for en kostbar CT-skanner. Den måler, poster, og viser rotsystem lengder. Programvaren vi har testet fra de som bare er tilgjengelig kommersielt ^16-18; man ser ikke ut til å være i stand til å håndtere 3D-bildet stabler ^16, den andre er et blad område og rot lengdemåleverktøy ^17, mens den tredje er basert på fargeanalyse ^18. Basert på denne undersøkelsen, foreslår vi at en costless alternativet som tilnærmer overflaten og volumet av roten uavhengig av sin form fra 3D tomografi data er ønskelig.

Bygge på fritt tilgjengelig RooTrak og ImageJ, har vi utviklet et program som heter imeshJ (se Supplemental File Code) som behandler en isosurface mesh (overflate stereolithography fil) genereres fra segmenterte rot data, og beregner volum og areal av roten av gjøre enkle geometriske beregninger på mesh trekant indeksdata. Her rapporterer vi en metode som kombinerer bruk av XCT bildebehandling,data rekonstruksjon og visualisering (programvare CT Pro 3D og VG Studio), segmentering av roten av prøven fra jorden i 3D-data (open-source programvare ImageJ og RooTrak), og utvinning av overflaten og voluminformasjon fra et trekantet mesh (ImageJ og datamaskinen koden imeshJ).

Protocol

Forsiktig: Driften av en X-ray tomografi scanner krever både generell stråling trening, og instrumentspesifikke stråling sikkerhetsopplæring. Alle tilsvarende prosedyrer som er relevante for forsøket, laboratorium bør følges. 1. Root Imaging Merk: Dette trinnet beskriver avbildning av en gress prøven som holdes i sin opprinnelige jord i en rørformet plastkanne (et plastrør med en diameter på 40 mm, en høyde på 210 mm, og en veggtykkelse på omkring 2 mm). Sette potteplante på pr?…

Representative Results

Prøven bestående av to stammer av den native gress Prairie dropseed (Sporobolus heterolepis) og den opprinnelige jord rundt det ble tatt fra et boligområde og plassert i en liten rørformet holder vist i figur 1. Den rekonstruerte data voxel størrelse var tilnærmet 31 mikrometer x 31 mikrometer x 31 mikrometer. Den rekonstruerte volum ble brukt til å opprette en bunke bilder fra en valgt retning (sett ovenfra) ved hjelp av open-source bildebehandlingsprogr…

Discussion

En kombinasjon av X-ray computertomografi og flere åpen kildekode-programmer viste seg å være en sterk kombinasjon til invasivt bilde plante rot prøver, segment rot data og hente ut kvantitativ informasjon (areal og volum) fra 3D-data. Evnen til å visualisere og måle egenskaper er alltid begrenset av skanneoppløsning, samt av begrensninger av RooTrak programvare. Men var skanneoppløsning tilstrekkelig til å fange opp mesteparten av funksjonene i utvalget i denne studien, og RooTrak var i stand til å segmentere…

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