Técnicas de fenotipagem mícron-escala de milho feixes vasculares, com base na tomografia computadorizada de Microcomputed de raio-x
Summary
Nós fornecemos um método inovador para melhorar o contraste de absorção de raio-x do milho tecido apropriado para digitalização de tomografia computadorizada de microcomputed comum. Com base em imagens de CT, apresentamos um conjunto de fluxos de trabalho de processamento de imagem para diferentes materiais de milho que efetivamente extrair fenótipos microscópicos de feixes vasculares de milho.
Abstract
É necessário quantificar com precisão as estruturas anatômicas do milho materiais baseados em técnicas de análise de imagem de alta produtividade. Aqui, nós fornecemos um ‘protocolo de preparação de amostra’ para materiais milho (ou seja, caule, folha e raiz) apropriados para tomografia computadorizada normal microcomputed (micro-CT) digitalização. Com base em imagens de alta resolução do CT de milho caule, folha e raiz, descrevemos dois protocolos para a análise fenotípica de feixes vasculares: (1) com base na imagem CT do milho caule e folha, desenvolvemos um pipeline de análise de imagem específica para extrair automaticamente 31 e 33 características fenotípicas de feixes vasculares; (2) baseado na série de imagem CT da raiz do milho, montamos um esquema de processamento de imagem para a segmentação de tridimensional (3D) dos vasos metaxylem e extraído bidimensional (2D) e a área dos navios de metaxylem, de superfície 3D características fenotípicas, tais como o volume, etc. Os protocolos propostos comparado com medição manual tradicional de feixes vasculares de milho materiais, melhorar significativamente a eficiência e a precisão de quantificação fenotípica mícron-escala.
Introduction
O sistema vascular milho atravessa toda a planta, da raiz e caule para as folhas, que forma os caminhos de transporte chave para o fornecimento de água, nutrientes minerais e substâncias orgânicas1. Outra função importante do sistema vascular é fornecer suporte mecânico para a planta de milho. Por exemplo, a morfologia, número e distribuição dos feixes vasculares em raízes e caules estão intimamente relacionadas à resistência de alojamento de plantas de milho2,3. Actualmente, estudos sobre a estrutura anatômica dos feixes vasculares principalmente utilizam técnicas microscópicas e Ultramicroscópicos para exibir as estruturas anatômicas de uma determinada parte do caule, folha ou raiz e em seguida medem e contam essas estruturas de interesse pela investigação manual. Sem dúvida, medição manual de várias estruturas microscópicas em microimages em grande escala é um trabalho muito tedioso e ineficiente e limita severamente a precisão dos traços microphenotypic, devido a sua subjetividade e inconsistência4, 5.
O milho não tem nenhum crescimento secundário, e o conteúdo da célula consiste essencialmente de água no meristema primário. Sem qualquer tratamento prévio, frescas amostras de tecidos de milho podem ser diretamente digitalizadas usando um dispositivo micro-CT; no entanto, os resultados da verificação são provavelmente pobre e difícil. As principais razões são resumidas como segue: densidades (1) baixa atenuação dos tecidos da planta, resultando em um baixo contraste de número atômico e alto ruído em imagens; (2) materiais vegetais frescos são propensas a desidratar e encolher durante o varredura ambiente normal, conforme relatado por Du6. Os problemas acima referidos tornaram-se as principais restrições para o desenvolvimento e a aplicação da tecnologia de microphenotyping de milho, trigo, arroz e outras monocotiledôneas. Aqui, apresentamos o ‘protocolo de preparação de amostra’ para o pré-tratamento das amostras de milho caule, folha e raiz. Este protocolo evita a desidratação e deformação de materiais vegetais durante o CT varredura; assim, é benéfico aumentar o tempo de preservação de amostras de plantas com nondeformation. Além disso, a etapa de tingimento com base em iodo sólido também aumenta o contraste dos materiais de planta; assim, faz-se melhorias significativas na qualidade de imagem do micro-CT. Além disso, desenvolvemos o software de processamento de imagem, chamado VesselParser, para processar as imagens de CT de milho caules e folhas. Este software integra um conjunto de condutas de processamento de imagem para executar análise de fenotipagem do elevado-throughput e automático para imagens de CT 2-D de tecidos vegetais diferentes. Feixes vasculares na toda seção transversal do caule de milho e folha são detectados, extraídos e identificado usando um método automático de processamento de imagem. Como resultado, obtemos 31 fenótipos microscópicos da haste milho e 33 fenótipos microscópicos da folha do milho. Para a série de imagem CT da raiz do milho, desenvolvemos um esquema de processamento de imagem para adquirir características fenotípicas 3D dos vasos metaxylem. Este esquema é superior em eficiência de aquisição de imagem e reconstrução em comparação com métodos tradicionais.
Estes resultados indicam que a imagem processamento de dutos, Considerando que as características da imagem latente de micro-CT ordinário do raio-x fornecem um método eficaz para o microscópico fenotipagem de feixes vasculares; isso extremamente amplia as aplicações das técnicas de CT na ciência de planta e melhora a fenotipagem automática de materiais vegetais no celular resolução6,7.
Protocol
Representative Results
Discussion
Com o sucesso da aplicação da tecnologia de CT nos domínios da biomedicina e ciência dos materiais, esta tecnologia foi gradualmente introduzida nos campos da botânica e agricultura, promover pesquisas nas ciências da vida de planta como uma ferramenta técnica promissora . Na década de 1990, a tecnologia de CT foi usada primeiramente para estudar as estruturas morfológicas e desenvolvimento de sistemas de raiz da planta. Na década passada, síncrotron HRCT tornou-se uma ferramenta poderosa, não destrutiva para…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta pesquisa foi apoiada pelo nacional natureza Science Foundation da China (No.31671577), a ciência e tecnologia inovação especial construção financiados pelo programa de Pequim Academia da agricultura e silvicultura Sciences(KJCX20180423), a pesquisa Programa de desenvolvimento da China (2016YFD0300605-01), a Fundação de ciência Natural de Beijing (5174033), o Beijing pós-doutorado pesquisa Foundation (2016 ZZ-66) e a Academia de Pequim de agrícola e Grant de Ciências Florestais (KJCX20170404) ( JNKYT201604).
Materials
| Skyscan 1172 X-ray computed tomography system | Bruker Corporation, Belgium | NA | For CT scanning |
| CO2 critical point drying system (Leica CPD300) | Leica Corporation, Germany | NA | For sample drying |
| Ethanol | Any | NA | For FAA fixation |
| Formaldehyde | Any | NA | For FAA fixation |
| Acetic acid | Any | NA | For FAA fixation |
| Surgical blade | Any | NA | For cutting the sample sgements |
| 3D printer | Makerbot replicator 2, MakerBot Industries, USA | NA | For printing the sample baskets of maize root, stem, and leaf |
| Centrifuge tube | Corning, USA | NA | Place the root, stem, or leaf materials |
| Solid iodine | Any | NA | For sample dyeing |
| SkyScan Nrecon software | SkyScan NRecon, Version: 1.6.9.4, Bruker Corporation, Belgium | NA | For image reconstruction |
| VesselParser software | VesselParser, Version: 3.0, National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture (NERCITA), Beijing, China | NA | Image analysis protocol for single CT image of maize stem or leaf |
| ScanIP | ScanIP, Version: 7.0; Simpleware, Exeter, UK | NA | 3D image processing software |
| Latex gloves | Any | NA | |
| Tweezers | Any | NA |
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