Bitki damarları ve Üç Boyutlu Yapı ve Fonksiyon Visualize'a Yüksek Çözünürlüklü Bilgisayarlı Tomografi Kullanımı
Summary
Yüksek çözünürlüklü x-ışını bilgisayarlı tomografi (YRBT) 3D bitki damar yapısını ve işlevini incelemek için kullanılabilecek bir tahribatsız tanısal görüntüleme tekniğidir. Biz bitki dokuları ve türlerin geniş bir yelpazesinde ksilem ağlarının keşif nasıl kolaylaştırdığını YRBT göstermektedir.
Abstract
Yüksek çözünürlüklü x-ışını bilgisayarlı tomografi (YRBT) şimdi (örneğin Brodersen ark üç boyutlu (3D) bitki ksilem ağ yapısı ve fonksiyonu değerlendirmek için kullanılan alt-mikron çözünürlük kapasitesi olan tahribatsız tanısal görüntüleme tekniğidir . 2010; 2011; 2012a, b). YRBT görüntüleme tıbbi BT sistemleri ile aynı prensipleri, ancak daha yüksek uzaysal çözünürlüğü yüksek yoğunluklu Sinkrotron X-ışını kaynağı sonuçlarına dayanan ve görüntü alma süresi azalmıştır. Burada, Avizo yazılımı (VSG A.Ş., Burlington, ABD MA) ile birlikte YRBT (Gelişmiş Işık Kaynağı-LBNL Berkeley, CA, USA yapılan) bitki ksilem keşfetmek için nasıl kullanıldığını sinkrotron tabanlı ayrıntılı göstermek doku ve canlı bitkiler çıkarıldı. Bu yeni görüntüleme aracı, kullanıcıların geleneksel statik, 2D ışık veya elektron mikroskop ve herhangi bir düzlemde sanal seri bölümleri kullanarak çalışma örnekleri ötesine taşımak için izin verir. Herhangi bir yönelim c dilimleri sonsuz sayıdaBir aynı örnek, geleneksel mikroskop yöntemleri kullanarak fiziksel olarak imkansız bir özellik üzerinde yapılabilir.
Sonuçlar YRBT otsu ve odunsu bitki türleri ve bitki organları bir dizi (örneğin yaprak, yaprak sapı, gövde, gövdeler, kökler) hem de uygulanabilir olduğunu göstermektedir. Burada sunulan rakamlar temsili bitki vasküler anatominin bir dizi ve sahil sekoya (Sequoia sempervirens), ceviz (Juglans spp.), Meşe (Quercus spp.) Ve akça (tarar dahil YRBT gerçekleştirmede, çıkarılan ayrıntı türü hem göstermeye yardımcı Acer spp.) ağaç ayçiçeği (Helianthus annuus), üzüm (Vitis spp.), eğrelti otları ve (Pteridium aquilinum ve Woodwardia fimbriata) fidan. Odunsu türler eksize ve kurutulmuş örnekleri taramak ve genellikle iyi görüntüyü elde etmek için en kolay olanlardır. Ancak, son gelişmeler (yani daha hızlı taramalar ve örnek stabilizasyonu) bunu poss yaptıkyeşil dokularda (örneğin petioles) ve yaşayan bitkiler bu görselleştirme tekniği kullanmak ible. Vesilesiyle sulu yeşil bitki dokularının bazı büzülme bu konular açıklanmıştır önlemek için bulanıklık ve yöntemleri görüntüleri neden olur. YRBT ile bu son gelişmeler bitki vasküler fonksiyon içine umut verici yeni bakış açıları sağlayacaktır.
Introduction
Birbirine bağlı kanallar, fiberler ve yaşam, metabolik olarak aktif hücrelerden oluşan bir ağ – Su bitki köklerinden ksilem denilen bir vasküler doku yapraklara taşınır. Bitki ksilem Ulaştırma işlevi fotosentez için yaprakları, büyüme ve sonuçta yaşam için besin ve su temin korunması gerekir. Ksilem ağ patojen organizmalar tarafından tehlikeye olduğunda Ksilem kanallarında Su taşıma bozulabilmektedir. Bu tür enfeksiyonların bitkiler yanıt olarak sık sık (iken, 2010 örneğin McElrone ark 2008) patojenin yayılma yalıtmak için bir araç olarak jöleler, sakızlar ve tyloses üretmek. Kuraklık stresi de ksilem su taşıma sınırlayabilirsiniz. Bitkiler uzun süreli kuraklık sırasında su kaybetmek gibi, gerginlik ksilem özsuyu oluşturur. Gerilim altında Su (yani belli bir eşikte gerginlik ksilem kanallarında bulunan su sütunları kavitasyon için yeterince büyük olur) metastabilite. Kavitasyon oluşur, sonra bir gaz kabarcığı (emboli) koşul oluşturmak ve doldurmakuit, etkili engelleme su hareketi (Tyree ve Sperry 1989), derin deniz dalgıç vurgun (yani "kıvıran") benzer bir fenomen.
Bu konuda (. Tyree & Zimmermann, 2002; Holbrook ve ark, 2005) tarihsel ve çağdaş edebiyatının bir büyük beden gösterdiği optimum bitki işlev için ksilem su taşıma önemine rağmen, halen mevcuttur ksilem ağların yönleri hala vardır . Çeşitli araştırma gruplarının son zamanlarda ince odun anatomisi ayrıntıları ve vasküler doku (örneğin Mayo ark değerlendirmek için yüksek çözünürlüklü x-ışını bilgisayarlı mikro tomografi (YRBT) kullanarak başladık; 2010, 2008; Mannes ark 2010;. Brodersen ark 2010. , 2011, 2012a, b; Maeda ve Miyake, 2009; Bozkır ve ark 2004).. YRBT katı nesne iç özellikleri görselleştirmek ve 3-D yapısal özellikleri üzerine sayısal bilgi elde etmek için kullanılan bir dönüşlü bir tekniktir. YRBThatta yüksek yoğunluklu nesneler için, boyutu bir mikrona kadar küçük ayrıntıları çözmek için onun yetenek geleneksel tıbbi CAT-tarama farklıdır. Sinkrotron YRBT teknolojisindeki son gelişmeler, yeterince böylece bitkinin damar ağları ve intervessel bağlantıların görülebilmesi gürültü oranı görüntü çözünürlüğü ve sinyal geliştirilmiş 3D koordinatları atanır ve hidrolik model simülasyonları için ihraç var. Brodersen ark. (2011) son zamanlarda otomatik geleneksel anatomik şekli (seri yani bir mikrotom ile kesit ile her zamankinden mümkün olandan çok daha yüksek çözünürlükte ksilem ağ veri ayıklayan bir Fortran modeli ile sinkrotron YRBT tarafından üretilen 3D rekonstrüksiyon birleştirerek bu tekniği ileri ışık mikroskobu ile görüntü yakalama, örneğin Zimmermann 1971). Bu çalışma aynı zamanda ksilem sisteminin hidrolik modelleri optimize etmek için kullanılır ve taşıma benzersiz özellikleri (bazı ve yani ters akım tespit edilmiştirtepe terleme dönemlerinde ssels) (Lee ve ark., inceleme).
Sinkrotron YRBT şimdi ksilem işlevselliği, kavitasyon yatkınlık ve embolize kanallar onarmak için bitki yeteneğini görselleştirmek için kullanılabilir. Embolize kanallarında yeniden kurmak akışı uyulmaması hidrolik kapasitesi, sınırları fotosentez, ve aşırı durumlarda bitki ölümüne yol açar (McDowell ve ark. 2008) azaltır. Bitkiler, komşu fonksiyonel borular bağlanırken çukurları ile tıkanmalar çevresindeki su aktarma tarafından ve kayıp hidrolik kapasite yerine yeni ksilem büyüyerek embolisi ile başa çıkabilir. Bazı bitkiler su sütunları bozulmaları tamir yeteneğine sahip, ancak gerilim altında ksilem bu sürecin detayları yıllardır belirsiz kalmıştır. Brodersen ark. (2010) son zamanlarda görüntülendi ve YRBT kullanarak canlı grapevines dolum süreci sayılabilir. Dolumu Başarılı damar XYL çevredeki yaşayan hücrelerin su akını bağlıydıOnları tek tek su damlacıkları zamanla genişledi kanalları, dolu kap ve sürüklenen gaz dağılmasına zorladı. Bu onarımlar kontrol tehlikeye ksilem damarları ve mekanizmaları tamir Farklı bitkilerin kapasite şu anda araştırılmaktadır.
ALS tesis beamline 8.3.2 Açıklaması
Bugüne kadar yaptığımız çalışmalar Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley CA ABD) İleri Işık Source Sabit X-ray Mikro Tomografi beamline 8.3.2 üzerinde yürütülmüştür. Bitki örnekleri 11.5 KeV bir kritik enerji kısmındaki Gelişmiş Işık Kaynağı elektron deposunun halka işletim içindeki dipol 6 Tesla süperiletken bend mıknatıs tarafından üretilen x-ray kaynağı bir kurşun astarlı baraka bulunan 20 m, yerleştirilir. Uç istasyonunun şematik Şekil 1 'de gösterilmiştir. X-ışınları 40x bir ışın boyutu ~ 4.6 mm hutch girin ve motorlu döner sahne üzerine monte edilmiş numune geçer.iletilen x-ışınları resim koleksiyonu için ccd üzerine lensler yoluyla geçirilen görünür ışık için x-ışınları dönüştürmek kristal sintilatör (sık kullanılan iki malzeme Luag ya CdWO 4 olan) çarpar. Kamera, sintilatör ve optik örnek-to-sintilatör mesafe faz kontrast görüntüleme için optimize edilmesini sağlar raylar üzerinde bir ışık geçirmeyen kutusunda bulunan.
Tüm numuneler, bu da numune konumlandırma için yatay ve dikey çeviri aşamaları üzerine monte edilmiş 10 cm çapında döner sahne üzerine monte edilir. Özel yapılmış bir bitki pota tutucu ve bir akrilik tüp içinde bulunan yeşillik monte kök sistemi ile bir canlı bir bitkinin örnek, Şekil 2'de görülebilir. Tipik pozlama süreleri sn 10-18 KeV kullanılarak 0,1-1'den uzanabilir ve tarama süreleri belirli bir örnek için optimize ayarlarına bağlı olarak 5-40 dakika arasında değişmektedir. Uzun boylu numuneler için (bitki ksilem ağların tipik), veri taramaları olabilir~ 10 cm maksimum örnek yüksekliği boyunca kesintisiz seri kesitler sağlayarak, otomatik olarak kontrol edilir, farklı yüksekliklerde numune ile ölçüm tekrarlayarak döşeli. 4,5 mikron çözünürlükte görüntüleme dikey olarak neredeyse mükemmel örnekleri için ~ 1 cm maksimum örnek genişliği. Veri oluşturma ve işleme aşağıda listelenen protokolü kullanılarak tamamlanır. Çünkü hava ve su arasında x-ışını zayıflama fark, mükemmel görüntü kontrast tıbbi BT sistem tipik kontrast çözeltilerinin kullanımı olmaksızın bitki elde edilebilir. Hava dolu damar lümeni sulu bitkiler çevreleyen su dolu dokusundan kolaylıkla ayırt edilebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Synchotron YRBT inanılmaz ayrıntılı bitki damar iç işleyişini keşfetmek için güçlü, tahribatsız aracı ile bitki biyologlar sağlar. Bu bağlantı ölçüde yaymak vasküler patojenler ve emboli yeteneğini değiştirebilir – Bu teknoloji, farklı açılardan farklı asma türlerinin (. Basınında Brodersen ark 2012b,) olarak ksilem ağ bağlantısı değiştirmek dedikodu ksilem önceden tanımlanmamış anatomik yapıları tanımlamak için son zamanlarda kullanılmaya başlanmıştır …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar S Castorani, AJ Eustis, GA Gambetta, CM Manuck, Z Nesefî, ve A Zedan teşekkür etmek istiyorum. Bu çalışma tarafından finanse edildi: Tarım-Tarımsal Araştırma Servisi Güncel Araştırma Bilgi Sistemi fon ABD (araştırma projesi yok 5306-21220-004-00; Gelişmiş Işık Kaynağı Direktörü Bilim Dairesi, Temel Office tarafından desteklenmektedir. Enerji Bilimler ABD Enerji Bakanlığı Sözleşme kapsamındaki No DE-AC02-05CH11231). ve AJM için Nifa Özel bitkileri araştırma girişimi hibe.
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).
