공장 Vasculature의 3 차원 구조 및 기능을 시각화하기 위해 높은 해상도로 계산 된 단층 촬영을 사용하여
Summary
고해상도 X 선 계산 단층 촬영 (HRCT)는 3D로 공장 vasculature의 구조와 기능을 연구하는 데 사용할 수있는 비파괴 진단 이미징 기술이다. 우리는 식물 조직 및 종의 다양한 범위에 걸쳐 목부 네트워크 탐색을 용이하게하는 방법 HRCT 보여줍니다.
Abstract
고해상도 X 선 계산 된 단층 촬영 (HRCT)은 지금 (예 : Brodersen 외 삼차원 (3D)에 식물 목질부 네트워크의 구조와 기능을 평가하는 데 사용되는 하위 마이크론 해상도 기능을 갖춘 비파괴 진단 이미징 기술이다 . 2,010, 2,011, 2012a, b). HRCT 이미징은 의료 중부 표준시 시스템과 같은 원칙을하지만, 높은 공간 해상도의 높은 강도 싱크로트론 X-선 소스 결과에 따라와 이미지 획득 시간을 감소합니다. 여기, 우리는 Avizo 소프트웨어 (VSG 주식회사, 버 링턴, 미국 MA)와 함께 HRCT는 (고급 광원 – LBNL 버클리, CA, USA에서 수행)에 식물 목질부를 탐험하는 데 사용되는 방법을 싱크로트론 기반 상세 설명 조직 및 거실 식물을 excised. 이 새로운 이미징 도구는 사용자가 기존의 정적, 2D 빛이나 전자 micrographs 및 비행기에서 가상 시리얼 섹션을 사용하여 학습 샘플을 넘어 이동할 수 있습니다. 어떤 방향으로 C에서 조각의 무한한는 동일한 샘플 전통적인 현미경 방법을 사용하여 물리적으로 불가능 기능을 만들 수.
결과 HRCT는 풀의와 우디 식물 종 및 식물 기관의 범위 (즉, 잎, petioles, 줄기, 줄기, 뿌리) 모두에 적용 할 수 보여줍니다. 여기에 제시된 수치는 대표 식물 혈관의 해부학 적 구조의 범위와 해안 레드 우드 (세쿼이아 sempervirens), 호두 (Juglans 종.), 오크 (Quercus 종.)과 단풍 나무 (에 대한 검사를 포함 HRCT 데이터 집합에서 추출 세부 유형을 모두 보여 도움이 에이서 종은.) 나무 해바라기 (Helianthus annuus), grapevines (Vitis 종.), 그리고 양치 (Pteridium aquilinum 및 Woodwardia fimbriata)에 묘목. 우디 종 Excised 및 건조 샘플을 검사하고 일반적으로 가장 좋은 이미지를 얻을 수 있도록 쉬운입니다. 그러나, 최근 개선 (예 : 더 빠른 스캔 및 샘플 안정화)는 포스 한녹색 조직 (예 : petioles)와 식물이 시각화 기법을 사용 였죠. 계기로 수화 녹색 식물 조직의 일부 수축이 문제가 설명되어 있습니다 방지하기 위해 블러과 방법으로 이미지를 발생합니다. HRCT로이 최근 발전 플랜트 혈관 기능에 긍정적 새로운 통찰력을 제공합니다.
Introduction
상호 도관, 섬유, 생활, metabolically 활성 셀의 네트워크 – 물은 식물의 뿌리에서 목부라는 혈관 조직에있는 잎으로 이송되어 있습니다. 식물 목질부의 교통 기능은 광합성을위한 잎, 성장하고, 궁극적으로 생존에 영양분과 물을 공급하기 위해 유지해야합니다. 목부 네트워크가 병원성 미생물에 의해 손상되면 목부 도관의 물 운송이 중단 될 수 있습니다. 이러한 감염 식물에 대한 응답으로 자주 (; 2,010 예 McElrone 외 2008) 병원체 확산을 분리하는 수단으로 젤, 잇몸, 그리고 tyloses을 생산합니다. 가뭄 스트레스도 목질부에 물 전송을 제한 할 수 있습니다. 식물이 오랜 가뭄 때 물을 잃어으로 긴장은 목부의 수액에 구축합니다. 긴장 아래의 물은 (즉, 특정 임계 값에 긴장이 목부 도관에 포함 된 물 열을 cavitate 할 수있을만큼 훌륭한된다) metastable입니다. 캐비테이션이 발생하면 가스 기포 (색전증) cond를 형성하고 입력 할 수 있습니다uit, 효과적으로 차단 물 운동 (타 이리와 스페리 1989), 심해 다이빙의 감압 질병 (즉, "벤딩")와 유사한 현상.
로이 주제에 (. 타 이리 & Zimmermann, 2002, 홀 브룩 외, 2005)에서 역사와 현대 문학의 광대 한 기관 증명 최적의 식물 기능에 대한 목부 물 수송의 중요성에도 불구하고, 어려운 남아 목부 네트워크 측면은 여전히 있습니다 . 여러 연구 그룹은 최근 미세한 나무 해부학 세부 사항 및 혈관 조직 (예 : 메이요 외를 평가 고해상도 X 선 계산 된 마이크로 단층 촬영을 (HRCT) 활용하기 시작했습니다, 2010, 2008, Mannes 외 2010;. Brodersen 외 2010. 2011 년, 2012a, B, 마에다와 미야케, 2009, 스텝 외 2004).. HRCT는 고체 물체의 내부에 기능을 시각화하고 자신의 3-D 구조 특성에 디지털 정보를 얻기 위해 사용되는 비파괴 기법이다. HRCT도 고밀도 개체의 크기는 미크론으로 작은 등의 세부를 해결하는 능력에 종래의 의료 CAT-스캐닝과 다릅니다. 싱크로트론 HRCT 기술의 최근 발전은 충분히 있으므로 식물 선박 네트워크와 intervessel 연결 시각화 할 수있는 잡음 비율로 이미지 해상도 및 신호 개선 3D 좌표를 할당하고, 유압 모델 시뮬레이션에 수출하고 있습니다. Brodersen 외. (2011) 최근 자동으로 기존의 해부학 적 방법 (시리얼 즉, 마이크로톰을 sectioning로 어느 가능했던 것보다 훨씬 높은 해상도로 목부 네트워크에서 데이터를 추출 포트란 모델 싱크로트론 HRCT에 의해 생성 된 3D reconstructions를 결합하여이 기술을 고급 빛 현미경과 및 이미지 캡처, 예를 들어 Zimmermann 1971). 이 작품은 목부 시스템의 유압 모델을 최적화하는 데 사용 및 전송의 고유 한 특성을 (일부 VE에서 즉, 역방향 흐름 확인되었습니다최대 증산 기간 동안 ssels) (리 외., 리뷰).
싱크로트론 HRCT는 이제 목부 기능, 캐비테이션에 대한 민감성, 그리고 embolized 도관을 복구 할 수있는 식물 '능력을 시각화하는 데 사용할 수 있습니다. embolized 도관의 재 구축 흐름에 실패 유압 용량 제한 광합성, 그리고 극단적 인 경우에 식물 사망의 결과 (맥도웰 외. 2008) 줄일 수 있습니다. 식물은 인접 기능 도관을 연결 구덩이를 통해 폐색 주위에 물을 우회 의해 손실 유압 용량을 대체 할 수있는 새로운 목부 성장하여 emboli에 대응 할 수 있습니다. 일부 식물은 물과 열에서 휴식을 복구 할 수있는 능력을 가지고 있지만, 긴장 미만의 목부에서이 절차의 세부 사항은 수십 년 동안 불분명 남아 있습니다. Brodersen이 외. (2010) 최근 시각화 및 HRCT를 사용하여 라이브 grapevines의 충진 과정을 정량화. 충진 성공적인 선박은 xyl을 둘러싼 살아있는 세포에서 물이 유입에 의존했습니다그들 각각의 물방울은 시간이 지남에 따라 확장 도관, 가득 선박,하고 갇힌 가스의 해산을 강요. 이 수리를 제어하는 위험 목부 선박과 메커니즘을 복구하기 위해 다른 식물의 용량이 현재 조사되고있다.
ALS 시설 빔라인 8.3.2에 대한 설명
지금까지 우리의 작품은 로렌스 버클리 국립 연구소 (버클리 CA USA)의 고급 광원에서 하드 X-선 마이크로 단층 촬영 빔라인 8.3.2에서 실시되었습니다. 식물 샘플은 11.5 케빈의 중요한 에너지의 고급 광원 전자 저장 링 운영 내에 쌍극자 6 테 슬러 초전도 굽힘 자석에 의해 생성 된 x-선 소스에서 리드 늘어선 토끼장에 위치한 20m에 위치하게된다. 엔드 스테이션의 개략적 인은 그림 1에 표시됩니다. X-레이 40x의 빔 크기 ~ 4.6 mm로 하치를 입력하고 방문객 회전 무대에 장착되어있는 샘플을 통과.전송 X-레이 이미지 컬렉션에 대한 CCD로 렌즈를 통해 전달되어 보이는 빛 엑스레이로 변환 크리스탈 신틸 레이터 (일반적으로 사용되는이 자료는 LuAG 또는 CdWO 4아르)에 가해진. 카메라, 신틸 레이터와 광학는 샘플 – 투 – 신틸 레이터 거리가 위상 콘트라스트 이미지에 맞게 최적화 할 수 있습니다 레일에 빛을 꼭 상자에 포함되어 있습니다.
모든 샘플은 결과적으로 샘플 위치에 수평 및 수직 번역 단계에 장착되어있는 10cm 직경 로터리 스테이지에 장착되어 있습니다. 사용자 정의 내장 식물 냄비 홀더와 아크릴 관에 포함 된 단풍에 장착 루트 시스템과 생활 공장 샘플은, 그림 2에서 볼 수 있습니다. 일반적인 노출 시간이 초는 10-18 케빈를 사용하여 0.1-1까지 다양 할 수 있으며, 스캔 기간은 특정 샘플에 최적화 된 설정에 따라 5-40 분까지 다양합니다. 키가 큰 샘플의 경우 (식물 목질부 네트워크의 전형적인), 데이터 스캔 할 수 있습니다~ 10cm의 최대 샘플 높이를 따라 원활한 시리얼 섹션 수 있도록 자동으로 제어되는 다른 높이에서 샘플로 측정을 반복하여 타일로 마감. 4.5 μm 해상도의 영상이 수직 방향으로 거의 완벽 샘플 ~ 1cm입니다 최대 샘플 폭. 데이터 생성 및 처리는 다음과 같습니다 프로토콜을 사용하여 완료됩니다. 때문에 공기와 물 사이의 x-선 감쇠의 차이를, 우수한 이미지 대비가 의료 중부 표준시 시스템의 전형적인 대비 솔루션을 사용하지 않고 식물에서 얻을 수 있습니다. 공기 주입 선박 루멘은 수화 식물에서 주변의 물이 채워진 조직에서 쉽게 구별됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
Synchotron HRCT 믿을 자세히 식물 vasculature의 내부를 탐험 할 수있는 강력한, 비 파괴적인 도구를 사용하여 식물 생물 학자를 제공합니다. 이 연결이 크게 확산하기 위해 혈관 병원균과 emboli의 능력을 변경할 수 있습니다 -이 기술은 differentially 다양한 grapevine 종 (. 언론의 Brodersen 외 2012b)에 목질부 네트워크 연결을 변경 grapevine의 목부의 이전 undescribed 해부학 구조를 확인하기 위해 최근?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 S Castorani, AJ Eustis, GA Gambetta, CM Manuck, Z Nasafi 및 Zedan 감사드립니다. 이 작품은이 지원되었습니다 농업 – 농업 연구 서비스 현재 연구 정보 시스템 자금은 미국과 (연구 프로젝트 없음 5306-21220-004-00, 고급 라이트 소스는 이사, 과학 사무실, 기본 사무실에 의해 지원됩니다. 에너지 과학, 에너지의 미국학과 계약에 따라 번호 DE-AC02-05CH11231).와 AJM에 NIFA 특수 작물 연구 사업 허가.
Materials
| Material Name/Equipment | Company | Catalogue Number | Comments (optional) |
| See specifics listed above regarding equipment at the Advanced Light Source beamline 8.3.2 |
References
- Brodersen, C. R., McElrone, A. J., Choat, B., Matthews, M. A., Shackel, K. A. The dynamics of embolism repair in xylem: in vivo visualizations using high resolution computed tomography. Plant Physiology. 154, 1088-1095 (2010).
- Brodersen, C. R., Lee, E., Choat, B., Jansen, S., Phillips, R. J., Shackel, K. A., McElrone, A. J., Matthews, M. A. Automated analysis of 3D xylem networks using high resolution computed tomography (HRCT). New Phytologist. 191 (4), 1168-1179 (2011).
- Brodersen, C., Roark, L., Pittermann, J. The physiological implications of primary xylem organization in two ferns. Plant, Cell & Environment. , (2012).
- Brodersen, C., Choat, B., Chatelet, D., Shackel, K. A., Matthews, M. A., McElrone, A. J. Conductive xylem bridges contribute differentially to radial connectivity in grapevine stems (Vitis vinifera and V. arizonica). American Journal of Botany. , (2012).
- McElrone, A. J., Jackson, S., Habdas, P. Hydraulic disruption and passive migration by a bacterial pathogen in oak tree xylem. Journal of Experimental Botany. 59, 2649-2657 (2008).
- McElrone, A. J., Grant, J., Kluepfel, D. The role of ethylene-induced tyloses in canopy hydraulic failure of mature walnut trees afflicted with apoplexy disorder. Tree Physiology. 30, 761-772 (2010).
- Tyree, M., Sperry, J. Vulnerability of xylem to cavitation and embolism. Annual Review of Plant Biology. 40 (1), 19-36 (1989).
- Tyree, M., Zimmermann, M. . Xylem structure and the ascent of sap. , (2002).
- Holbrook, N. M., Zwienieck, M. A. . Vascular Transport in Plants. , (2005).
- Mayo, S. C., Chen, F., Evans, F. Micron-scale 3D imaging of wood and plant microstructure using high-resolution x-ray phase-contrast microtomography. Journal of Structural Biology. 171, 182-188 (2010).
- Mannes, D., Marone, F., et al. Application areas of synchrotron radiation tomographic microscopy for wood research. Wood Science and Technology. 44, 67-84 (2010).
- Maeda, E., Miyake, H. A non-destructive tracing with an x-ray micro ct scanner of vascular bundles in the ear axes at the base of the lower level rachis-branches in japonica type rice (oryza sativa. Japanese Journal of Crop Science. 78 (3), 382-386 (2009).
- Steppe, K., Cnudde, V., et al. Use of x-ray computed microtomography for non-invasive determination of wood anatomical characteristics. Journal of Structural Biology. 148 (1), 11-21 (2004).
- Zimmermann, M. Dicotyledonous wood structure (made apparent by sequential sections). Encyclopaedia Cinematographica. , (1971).
- Lee, E. F., Brodersen, C. R., McElrone, A. J., et al. Analysis of HRCT-derived xylem network reveals reverse flow in some vessels. , (2013).
- McDowell, N. G., Pockman, W. T., et al. Mechanisms of plant survival and mortality during drought: why do some plants survive while others succumb. New Phytologist. 178, 719-739 (2008).
- McElrone, A. J., Brodersen, C. R., et al. Centrifuge technique consistently overestimates vulnerability to water-stress induced cavitation in grapevines as confirmed with high resolution computed tomography. New Phytologist. , (2012).
- Lee, K., Avondo, J., et al. Visualizing plant development and gene expression in three dimensions using optical projection tomography. Plant Cell. 18, 2145-2156 (2006).
- Truernit, E., Bauby, H., et al. High-resolution whole-mount imaging of three-dimensional tissue organization and gene expression enables the study of phloem development and structure in Arabidopsis. Plant Cell. 20, 1494-1503 (2008).
- Jahnke, S., Menzel, M. I., et al. Combined MRI-PET dissects dynamic changes in plant structures and functions. The Plant Journal. 59, 634-644 (2009).
- Iyer-Pascuzzi, A. S., Symonova, O., et al. Imaging and analysis platform for automatic phenotyping and trait ranking of plant root systems. , (2010).
