Extrahera Metrics för Tredimensionella rotsystem: Volym och ytanalys från In-mark röntgen Datortomografi Data

Summary

En metod för att erhålla visuella och kvantitativa rotstrukturen informationen från röntgen datortomografi data som samlats in-mark presenteras.

Abstract

Växternas rötter spelar en avgörande roll i växtmark mikrobinteraktioner som förekommer i rizosfären, liksom processer med betydande konsekvenser för klimatförändringen och odling. Kvantitativ storlek på rötter i deras naturliga miljö är ovärderlig för att studera rottillväxt och miljöprocesser som involverar växter. X-ray datortomografi (XCT) har visat sig vara ett effektivt verktyg för in situ rot skanning och analys. Vårt mål var att utveckla en GRATIS och effektivt verktyg som approximerar ytan och volymen av roten oavsett dess form från tredimensionella (3D) tomografi data. Roten strukturen för en Prairie dropseed (sporobolus heterolepis) prov avbildas med XCT. Roten rekonstruerades, och den primära rotstrukturen extraherades från data med hjälp av en kombination av licensierade och öppen källkod. En isosurface polygonal mesh därefter skapades för att underlätta analys. Vi har utvecklat than fristående program imeshJ, genereras i MATLAB ^1, för att beräkna rotvolym och yta från nätet. Utsignalerna från imeshJ är ytarea (i mm ²⁾ och volymen (i mm ^3). Processen, användning av en unik kombination av verktyg från avbildning till kvantitativ rot analys, beskrivs. En kombination av XCT och öppen källkod har visat sig vara en kraftfull kombination för att icke-invasivt bild växt rotprover, segment rot data och extrahera kvantitativ information från 3D-data. Denna metod att behandla 3D-data bör gälla för andra material / prov system där det finns anslutning mellan komponenter med liknande röntgen dämpning och svårigheter med segmentering.

Introduction

Rötter, som en del av rizosfären ^2-5, utgör en "osynlig" del av växtbiologi eftersom marken gör det svårt att avbilda rötter icke-invasivt ^{6, 7.} Men studera rottillväxt och samverkan inom markmiljön är avgörande för att förstå rot / växternas tillväxt och näringsomsättning, vilket i sin tur påverkar skogsplantering, tryggad livsmedelsförsörjning och klimat. X-ray datortomografi (XCT) har visat sig vara ett värdefullt verktyg för icke-invasiv avbildning av växt rotprover i sina lokala miljöer ^8. För att mäta rotutveckling och dimensionsförändringar under olika förhållanden, och kunna jämföra data från olika uppgifter / prover, måste man extrahera kvantitativ information från tomografi data. Segmentering av de bakomliggande data från den hos den omgivande jorden, det vill säga, (till exempel, bland annat, en angränsande anläggning) är isoleringen av roten bild från allt annat runt omkring ett kritiskt steg innan accuhastighet storleksanalys kan göras. Men det är en enkel tröskel tillvägagångssätt ofta omöjligt för rot-data. Utmaningarna i samband med avbildning växtrötter i jord inkluderar variationer i röntgendämpningsegenskaperna hos roten material, och överlappningen i dämpningsvärden mellan rot och jord som orsakas av vatten och organiskt material. Dessa frågor har utmärkt itu nyligen Mairhofer et al. i deras visuella verktyg för spårning RooTrak ^{7, 9.} Nästa steg efter en framgångsrik segmente är den noggranna bestämningen av roten volym och ytarea. Volymen kan beräknas genom att räkna antalet voxlar och multiplicera med voxlar "storlek kubik som visas före ^7. För en mer noggrann bestämning av rot yta och volym, kan isosurface av den segmenterade rotsystemet representeras av ett nät av trianglar, med hjälp av en algoritm som kallas Marching Cubes ^10. Open-source ImageJ ¹¹ kan användas för att approximera the rotvolym baserat på Marching Cubes algoritm. Så vitt vi vet, endast ett begränsat antal öppen källkod tillägnad beräkning tomografi baserad volym / yta data för root exemplar i centimeter intervallet och ovan finns för närvarande ^12. Programvara en öppen källkod vi tittat på ¹³ fokuserar på rottillväxt och riktar sig till cellulära funktioner som möjliggör kvantitativ volymanalys vid encelliga upplösning. Vissa öppen källkod tillägnad hela rotsystem ¹⁴ är utmärkt för liten diameter tubulär rotsystem bygger på approximation att deras form är faktiskt rörformad. Men en del arbete med 2D-bilder och är oförmögna att hantera 3D staplar ^14. Vidare kan den rörformiga approximation formen inte vara giltig när rotsystem med grova ytor och icke-enhetliga former, såsom de av träd, studeras. Ett annat tillvägagångssätt ¹⁵ använder två-dimensionell (2D) rotationsbildsekvenser innovativt kringgå the behöver för en kostsam datortomografen. Den mäter, registrerar och visar rotsystem längder. Mjukvaran vi har testat från de enda kommersiellt tillgängliga ^16-18; en verkar inte kunna hantera 3D-bild stackar ^16, den andra är en bladyta och mätning rotlängd verktyg ^17, medan den tredje är baserad på färganalys ^18. Baserat på denna undersökning, föreslår vi att en GRATIS alternativ som approximerar yta och volym av roten oavsett dess form från 3D-tomografi uppgifter är önskvärd.

Med utgångspunkt i den fritt tillgängliga RooTrak och ImageJ, har vi tagit fram ett program som heter imeshJ (se Kompletterande kod File) som behandlar en isosurface mesh (yta stereolithography fil) genereras från segmente rot data och beräknar volymen och ytan av roten av göra enkla geometriska beräkningar på uppgifter mask triangel index. Här rapporterar vi en metod som kombinerar användandet av XCT avbildning,rekonstruktion av data och visualisering (programvara CT Pro 3D och VG Studio), segmentering av roten av provet från jorden i 3D-data (öppen källkod ImageJ och RooTrak), och utvinning av ytan och volymuppgifter från ett triangulärt nät (ImageJ och datakod imeshJ).

Protocol

Varning: Funktionen hos en Röntgenstrålstomografi scanner kräver både allmän strålning utbildning och instrumentspecifika strålning säkerhetsutbildning. Alla motsvarande förfaranden som är relevanta för försöks laboratorium bör följas. 1. Root Imaging Notera: Detta steg beskrivs avbildning av en gräs prov som hålls i dess ursprungliga jord på en rörformig plastkruka (ett plaströr med en diameter på 40 mm, en höjd av 210 mm, och väggtjocklek av ca 2 mm). Placera krukväxt…

Representative Results

Provet som består av två stammar av den nativa gräs Prairie dropseed (sporobolus heterolepis) och den ursprungliga jorden runt det togs från ett bostadsområde och placerades i ett litet rör-formad hållare ses i figur 1. Den rekonstruerade uppgifter voxel storlek var approximativt 31 ^ m x 31 ^ m x 31 ^ m. Den rekonstruerade volymen fil användes för att skapa en bunt bilder från en vald orientering (uppifrån) med hjälp av öppen källkod bildbehandlin…

Discussion

En kombination av röntgen datortomografi och flera öppen källkod program visat sig vara en kraftfull kombination för att icke-invasivt bild växt rotprover, segment rot data och extrahera kvantitativ information (yta och volym) från 3D-data. Vår förmåga att visualisera och mäta funktioner är alltid begränsad av skanningsupplösning, samt genom begränsning av RooTrak programvaran. Emellertid var skanningsupplösning är tillräcklig för att fånga de flesta av funktionerna i provet i denna studie, och RooTra…

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