En metode for å skaffe visuell og kvantitativ rot strukturere informasjon fra X-ray computertomografi data ervervet i-jord er presentert.
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.
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).
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…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |