プラントの脈管構造の三次元構造と機能を可視化するために、高分解能CTを用いた
Summary
高分解能X線CT（HRCT）が3Dで植物の血管系の構造と機能を研究するために使用することができる非破壊画像診断法である。我々は、HRCTは植物組織や種の広い範囲にわたって木部ネットワークの探索を容易にする方法を示しています。
Abstract
高分解能X線CT（HRCT）が（ 例えば Brodersen ら三次元（3D）で植物の木部ネットワークの構造と機能を評価するために使用されているサブミクロンの分解能を持つ非破壊画像診断法である、2010年、2011年、2012A、B）。 HRCTイメージングは医療用CTシステムと同じ原理に基づいていますが、より高い空間分解能で高輝度シンクロトロンX線源の結果と画像取得時間を減少させる。ここでは、Avizoソフトウェアとの組み合わせでHRCT（アドバンスト光源 – LBNLバークレー、カリフォルニア州、米国で実施）（VSG社、バーリントン、マサチューセッツ州、米国）が中の植物の木部を探索するためにどのくらい使われているシンクロトロンベースで詳細に実証切除した組織と生きた植物。この新しいイメージングツールは、ユーザーが従来の静的、2D光または任意の平面で仮想シリアルセクションを使用して電子顕微鏡写真および研究サンプルを越えて移動することができます。任意の方向cのスライスの数が無限同じサンプル、伝統的な顕微鏡法を用いて物理的に不可能である機能で行うこと。
結果はHRCTは草本と木本植物種、植物器官の範囲（ すなわち 、葉、葉柄、茎、幹、根）の両方に適用することができることを実証している。数値は代表プラント血管解剖や海岸レッドウッド（ セコイア ）、くるみ（ クルミ属属）、オーク（ コナラ属のもの）、メープルのためにスキャンを含むHRCTデータセットから抽出された細部の型の範囲の両方を実証する手助けここに提示され（ エイサー属）ヒマワリ（ ヒマワリ ）、ブドウ（ ヴィティス属）、シダ（ ワラビとコモチシダ属fimbriata）への苗木。木本種から摘出し、乾燥させたサンプルは、スキャンして、一般的に最良の画像を得ることが最も簡単である。しかし、最近の改善は（ つまり、より迅速なスキャンとサンプルの安定）それはPOSS作った緑色組織（ 例えば葉柄）にと生きた植物では、この可視化技術を使用してible。機会に水和した緑の植物組織のいくつかの収縮は画像がぼやけてしまいますと、これらの問題を回避するための方法が記載されている。 HRCTでこれらの最近の進歩は、プラント血管機能に有望な新しい洞察を提供します。
Introduction
相互接続された導管は、繊維、生活、代謝活性を有する細胞のネットワーク – 水は植物の根から木部と呼ばれる血管組織内の葉に輸送される。植物の木部の輸送機能は、光合成、成長し、最終的には生存のために葉に栄養分と水を供給するために維持されなければならない。木部ネットワークが病原性微生物によって感染されるとき木部導管内の水輸送が停止することがあります。このような感染症の植物への応答であることが多い（; 2010 例えば McElroneら2008）病原体の広がりを単離するための手段として、ゲル剤、ガム、およびチロースを生成します。干ばつストレスも木部の水輸送を制限することができます。植物が長引く干ばつ時の水を失うように、緊張が木部樹液で構築されています。緊張下に水が（ すなわち 、特定のしきい値にテンションが木部導管体に含まれる水分の列をキャビテーションのに十分大きくなる）準安定である。キャビテーションが発生した後、気泡（塞栓症）は、condを形成し、埋めることができますUIT、効果的にブロックして水の動き（タイリーとスペリー1989）、深海ダイバーにおける減圧症（ すなわち、 "曲がる"）に類似現象。
このトピックに関する歴史と現代文学（タイリー·ツィンマーマン、2002;ホルブルックら 、2005）の広大なボディにより実証されるように最適な植物関数の木部水輸送の重要性にもかかわらず、とらえどころのないまま木部ネットワークの局面がまだあります。いくつかの研究グループは、最近、細かい木材解剖学の詳細や血管組織（ 例えばメイヨーらを評価するために高分解能X線CTマイクロトモグラフィー（HRCT）を利用し始めて、2010年、2008;マネスら2010;。Brodersenら2010。 、2011、2012A、B;前田、三宅、2009;草原ら、2004）。 HRCTはソリッドオブジェクトの内部の特徴を可視化し、その3次元構造特性に関するデジタル情報を取得するために使用される非破壊法である。 HRCTでも高密度オブジェクトに対して、サイズがミクロンのような小さな細部を解決する能力に従来の医療のCATスキャンとは異なります。シンクロトロンHRCT技術における最近の進歩は、充分に植物の血管網とintervessel接続が可視化できること対雑音比が改善された画像の解像度と信号があり、割り当てられた3次元座標、油圧モデルシミュレーションのためにエクスポート。 Brodersen ら （2011）は最近、自動的に従来の解剖学的方法（シリアルすなわちミクロトームで切片とこれまで可能であったよりもはるかに高い解像度で木部ネットワークからデータを抽出し、FortranのモデルとシンクロHRCTによって生成された3D再構成を組み合わせることで、このテクニックを進め光学顕微鏡で、画像キャプチャ、 例えばツィンマーマン1971）。この作品はまた、いくつかのVeの木部システムの油圧モデルと輸送の特定された固有の特性（ すなわち、逆の流れを最適化するために使用されているピーク蒸散の期間中ssels）（Lee ら 、レビューで）。
シンクロトロンHRCTは現在木部機能、キャビテーションに対する感受性、および塞栓導管を修復する植物の能力を視覚化するために使用することができます。塞栓導管内の再確立の流れに障害が発生すると、油圧能力、限界の光合成、極端な場合には植物の死の結果（マクダウェルら 2008）が軽減されます。植物は、隣接する機能導管を介して接続するピットの閉塞の周りの水を流用して、失われた油圧能力に代わる新しい木部を成長させることにより塞栓に対処することができます。いくつかの植物は水の列の切れ目を修復する能力を持っているが、緊張下の木部のこのプロセスの詳細は、何十年も不明であった。 Brodersen ら （2010）は最近、可視化とHRCTを使用してライブブドウの補充プロセスを定量化した。詰め替え成功した容器は、キシルを取り巻く生細胞からの水の流入に依存していたemの個々の水滴が時間の経過とともに拡大導管、いっぱい血管、閉じ込められた気体の溶解を余儀なくされた。さまざまな植物の能力が損なわ木部血管を修復すると、これらの修理を制御するメカニズムは、現在検討されている。
ALSのビームライン8.3.2施設の説明
これまでの我々の仕事は、ローレンス·バークレー国立研究所（バークレー米国カリフォルニア州）での高度な光源で硬X線マイクロトモグラフィービームライン8.3.2で行われている。植物試料は11.5 keVの重要なエネルギーで高度な光源電子蓄積リングの運転中に双極子6テスラ超電導曲げ磁石によって生成され、X線源から20メートルの場所に位置し、鉛ライニングハッチ内に配置されます。エンドステーションの概略を図1に示します。 X線は40倍のビームサイズ〜4.6ミリメートルとハッチを入力し、電動回転ステージ上に載置された試料を通過します。ザ透過したX線画像収集用のCCDにレンズを介して中継される可視光にX線を変換結晶シンチレータ（一般的に使用される2つの材料がLuAGまたはCdWO 4アール ）に衝突。カメラ、シンチレータと光学系は、サンプル·ツー·シンチレータ距離が位相コントラストイメージングのために最適化することができますレールの上で光タイトボックスに含まれています。
すべてのサンプルは、順番に、試料の位置決めのための水平方向および垂直方向の変換ステージに搭載されている直径10cm回転ステージ上に搭載されている。カスタム構築された植物のポットホルダー、アクリル管に含まれる葉に搭載された根系を持つ生きた植物試料は、 図2で見ることができます。典型的な露光時間は、秒10から18 keVの使って0.1から1の範囲で指定でき、スキャンの持続時間は、特定のサンプルのために最適化した設定に応じて5から40分の範囲であろう。背の高いサンプル（植物の木部·ネットワークの典型的な例）、データスキャンができるため〜10cmの最大試料高さに沿ってシームレスな連続切片を可能にする、自動制御され、異なる高さでのサンプルで測定を繰り返すことで、タイル張り。 4.5μmの分解能でイメージングは、縦向きでほぼ完璧なサンプルについて〜1cmで最大サンプル幅。データの生成と処理は、以下に記載されているプロトコルを使用して完了します。なぜなら空気と水の間のX線減衰の違いのため、優れた画像コントラストは医療用CTシステムの典型的なコントラストのソリューションを使用せずに植物を得ることができる。空気で満たされた血管内腔は、水和した植物の周囲の水で満たされた組織から容易に区別される。
Protocol
Representative Results
Discussion
Synchotron HRCTは信じられないほど詳細に植物脈管構造の内部の仕組みを探求するための強力な、非破壊ツールで植物学者が用意されています。この接続性が大幅に広がる血管の病原体や塞栓の能力を変えることができる-この技術は差動で、様々なブドウの種（。マスコミでBrodersen ら 2012b）に木部のネットワーク接続を変更するブドウの木部に以前に記述されていない解剖学的構?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、S Castorani、AJユースティス、ジョージアガンベッタ、CM Manuck、Z Nasafi、とZedanに感謝したいと思います。この仕事はによって資金を供給された：農業·農業研究サービス現在の研究情報システムの資金、米国エネルギー省（研究プロジェクトなし5306-21220-004-00、高度な光源は、Director、科学局、基本のOfficeでサポートされています。エネルギー科学、契約番号DE-AC02-05CH11231下、米国エネルギー省の）;。とNIFA特殊作物研究イニシアティブ助成AJMへ。
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
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