Распаковка Метрики для трехмерных систем корней: Том и анализа поверхности из In-почвы рентгеновской компьютерной томографии данных
Summary
Методика получения визуальной и количественной информации корневой структуры от рентгеновской компьютерной томографии данных, полученных в почве-представлен.
Abstract
Корни растений играют решающую роль в растительно-почвенно-микробных взаимодействий, которые происходят в ризосфере, а также процессы с важными последствиями изменения климата и управления культуры. Количественные данные размера на корни в их родной среде неоценима для изучения роста корней и экологических процессов с участием растений. Рентгеновская компьютерная томография (XCT) было продемонстрировано , чтобы быть эффективным инструментом в месте корня сканирования и анализа. Мы стремились разработать безболезненного и эффективный инструмент, который аппроксимирует поверхность и объем корня, независимо от его формы из данных трехмерной (3D) томография. Корневая структура dropseed Prairie (Sporobolus heterolepis) образец визуализируют с помощью Xct. Корень был перестроен, а основной корень структура была извлечена из данных, используя комбинацию лицензированных и с открытым исходным кодом. Изоповерхность многоугольная сетка была затем создана для удобства анализа. Мы разработали тон отдельное приложение imeshJ, генерируемый в MATLAB 1, для расчета объема корневой системы и площадь поверхности от сетки. Выходы imeshJ имеют площадь поверхности (в мм 2) и объем (в мм 3). Процесс, используя уникальное сочетание инструментов от визуализации до количественного анализа корня, описывается. Сочетание XCT и программного обеспечения с открытым исходным кодом оказался мощным сочетанием неинвазивного изображения растений образцы, корень сегмент данных и извлечения количественной информации из 3D данных. Эта методика обработки 3D-данных должны быть применимы к другим системам материал / образец, где есть связь между компонентами подобного ослабления рентгеновского и трудности возникают с сегментацией.
Introduction
Корни, как часть ризосферы 2-5, представляют собой «невидимую» часть биологии растений , так как почва затрудняет корни изображения неинвазивным 6, 7. Тем не менее, изучая рост корневой системы и взаимодействия в среде почвы имеет решающее значение для понимания рост корней / растений и круговорот питательных веществ, что в свою очередь влияет на лесоразведения, продовольственная безопасность и климат. Рентгеновская компьютерная томография (XCT) доказал, что является ценным инструментом для неинвазивной визуализации корневых растений образцов в их локальных средах 8. Для того чтобы измерить развитие корневой системы и изменения размеров в различных условиях, и иметь возможность сравнить данные из различных наборов данных / образцов, необходимо извлечь количественную информацию из данных томографии. Сегментация корневых данных от окружающей почвы, то есть изоляция корневого изображения от всего остального вокруг него (в том числе, например, соседняя завод) является важным шагом, прежде чем AccuАнализ размера ставка может быть сделано. Тем не менее, простой подход пороговая часто неосуществимо для корневых данных. Проблемы, связанные с корнями растений визуализации в почве включают вариации в свойствах рентгеновских затухания корневого материала, а также частичное совпадение значений затухания между корнем и почвы под воздействием воды и органических веществ. Эти вопросы были рассмотрены великолепно недавно Mairhofer и др. в их визуальный инструмент отслеживания RooTrak 7, 9. Следующим шагом после успешной сегментации является точное определение объема корней и площади поверхности. Объем может быть оценена путем подсчета количества вокселей и умножения на размер кубе вокселей ' , как показано выше 7. Для более точного определения площади поверхности корня и объема, изоповерхности сегментированного корневой системы может быть представлена в виде сетки из треугольников, используя алгоритм , известный как Марширующих Кубики 10. С открытым исходным кодом ImageJ 11 может быть использовано , чтобы аппроксимировать – ее объем корня на основе алгоритма Маршевые кубов. Насколько нам известно, только ограниченное число с открытым исходным кодом , посвященный расчета томографии на основе данных объема / поверхности для корневых образцов в сантиметровом диапазоне и выше в настоящее время доступен 12. Одно программное обеспечение с открытым исходным кодом мы смотрели на 13 фокусируется на рост корней и направлен на клеточных функций , позволяющих количественный анализ объема при разрешении одноклеточных. Некоторые с открытым исходным кодом программное обеспечение , предназначенное для целых корневых систем 14 отлично подходит для малого диаметра систем трубчатая корней , основанные на приближении , что их форма на самом деле трубчатыми. Тем не менее, некоторые работы с 2D изображениями и не в состоянии справиться с 3D складывает 14. Кроме того, трубчатая приближение форма не может быть действительным, когда корневые системы с неровными поверхностями и неравномерных форм, таких как деревья, изучаются. Другой подход использует 15 двухмерным (2D) вращательные последовательности изображений новаторски в обход тысе необходимость дорогостоящего компьютерного томографа. Он измеряет, записи, и отображает корень длины системы. Программное обеспечение мы тестировали только от тех , которые имеются в продаже 16-18; один не появляется , чтобы быть в состоянии обрабатывать 3D – изображение стеки 16, второй представляет собой площадь листьев и измерение длины корневого инструмента 17, в то время как третий основан на анализе цвета 18. На основании этого опроса, мы предлагаем, что безболезненного вариант, который приближается к поверхности и объема корня, независимо от его формы из 3D данных томографии желательно.
Основываясь на свободно доступных RooTrak и ImageJ, мы разработали программу, названную imeshJ (см Дополнительный файл кода) , который обрабатывает изоповерхности сетку (поверхность стереолитографии файл) генерируется из сегментированных корневых данных, и вычисляет площадь объема и поверхности корня путем делать простые геометрические расчеты по данным индекса треугольника сетки. Здесь мы сообщаем метод, который сочетает в себе использование изображений XCT,реконструкции и визуализации данных (программное обеспечение CT Pro 3D и VG-студия), сегментация корня образца из почвы в 3D-данных (с открытым исходным кодом ImageJ и RooTrak), а также извлечение информации о поверхности и объема от треугольной сетки (ImageJ и код imeshJ компьютер).
Protocol
Representative Results
Discussion
Сочетание нескольких программ с открытым исходным кодом доказанных рентгеновской компьютерной томографии и стать мощной комбинацией для неинвазивного изображения растений образцы, корень сегмент данных и извлечения количественной информации (площади поверхности и объема) из 3D дан?…
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).
