इस प्रोटोकॉल वाणिज्यिक उपलब्ध flatbed स्कैनर का उपयोग कर एक गुरुत्वाकर्षण उत्तेजना का जवाब देने Arabidopsis seedlings की छवियों के तेजी से संग्रह के लिए एक प्रक्रिया का वर्णन करता है. विधि बहाव के विश्लेषण एल्गोरिदम के लिए उत्तरदायी उच्च संकल्प छवियों की सस्ती, उच्च मात्रा को पकड़ने के लिए अनुमति देता है.
जीव विज्ञान में अनुसंधान प्रयासों तेजी से उच्च संकल्प डेटा की उच्च मात्रा संग्रह है कि सक्षम तरीके के इस्तेमाल की आवश्यकता होती है. प्रयोगशालाओं का सामना कर सकते हैं एक चुनौती इन तरीकों के विकास और प्राप्ति है. ब्याज की एक प्रक्रिया में phenotypes का अवलोकन जीन समारोह का अध्ययन अनुसंधान प्रयोगशालाओं का एक विशिष्ट उद्देश्य है और इस बार छवि पर कब्जा के माध्यम से हासिल की है. इमेजिंग तरीकों का उपयोग कर अवलोकन करने के लिए उत्तरदायी है कि एक विशेष प्रक्रिया गुरुत्वाकर्षण वेक्टर साथ संरेखण से विस्थापित किया गया है कि एक अंकुर जड़ से सुधारात्मक वृद्धि है. जड़ gravitropic प्रतिक्रिया को मापने के लिए इस्तेमाल किया इमेजिंग प्लेटफार्मों, महंगा throughput में अपेक्षाकृत कम है, और / या श्रम गहन हो सकता है. इन मुद्दों को सस्ती, अभी तक उच्च संकल्प, flatbed स्कैनर का उपयोग कर एक उच्च throughput छवि पर कब्जा पद्धति विकसित करके संबोधित किया गया है. इस विधि का प्रयोग, छवियों 4,800 डीपीआई पर हर कुछ मिनट पर कब्जा कर लिया जा सकता है. मौजूदा सेटअप 216 व्यक्ति आर के संग्रह में सक्षम बनाता हैदिन प्रति esponses. एकत्र छवि डेटा छवि विश्लेषण के लिए आवेदन पत्र पर्याप्त गुणवत्ता की है.
उच्च संकल्प प्ररूपी डेटा के संग्रह जीवधारी समारोह 1,2 मध्यस्थता में आनुवांशिकी की परस्पर क्रिया और पर्यावरण को समझने के लिए कि उद्देश्य के अध्ययन में उपयोगी है. यह प्रकृति का अध्ययन यह भी आवश्यक इस संदर्भ में phenotypes को मापने के लिए नियोजित तरीके throughput 3,4 में उच्च किया कि है, जिससे बड़े पैमाने में भी स्वाभाविक रूप से बड़े हैं. Phenomics पैमाने पर अनुसंधान के लिए विधि की स्थापना में, throughput और इस संकल्प के बीच tradeoffs खेलने में आते हैं. Throughput में उच्च रहे हैं कि तरीकों में भी इसे और अधिक कठिन आनुवंशिकी या पर्यावरण का 5 छोटे प्रभाव का पता लगाने के लिए कर रही है, संकल्प में कम हो जाते हैं. वैकल्पिक रूप से, अधिक सावधानी से एक वांछित phenotype कि उपाय तरीकों में भी यह मुश्किल मोटे तौर पर आनुवांशिक और पर्यावरणीय प्रभावों का सर्वेक्षण करने के लिए बना throughput में कम हो जाते हैं. इसके अतिरिक्त, दृश्य निरीक्षण सहित बढ़ाता phenotypes, के लिए मैनुअल तरीके के कारण मानव प्रति में मतभेद के बदलाव के लिए विषय हो सकता हैception 6.
इमेजिंग तकनीकों प्ररूपी टिप्पणियों 7-9 प्राप्त करने में throughput और संकल्प के बीच एक उपयोगी पुल प्रदान कर सकते हैं. सामान्य तौर पर, एक छवि throughput की सुविधा, कब्जा करने के लिए अपेक्षाकृत आसान है, और पर्याप्त संकल्प में ले लिया, जब सूक्ष्म phenotypes 1,2,7 पता लगाया जा सकता है. इमेजिंग तकनीकों ब्याज की एक प्रणाली या प्रक्रिया को फिट करने के परिवर्तनीय हो जाते हैं और 10-12 आम तौर पर स्केलेबल हैं. इस वजह से, इमेजिंग तकनीकों जीवधारी समारोह का बड़े पैमाने पर अध्ययन के विकास के लिए आदर्श होते हैं.
एक गुरुत्वाकर्षण उत्तेजना को प्राथमिक रूट की प्रतिक्रिया एक आकृति विज्ञान के साधारण अंग के भीतर होता है कि एक जटिल शारीरिक प्रक्रिया है. प्रतिक्रिया जड़ अंग के माध्यम से प्रचार और इसकी प्रगति को पर्यावरण 12-14 से प्रभावित आनुवंशिक कारणों सहित पर्यावरण और आनुवंशिक कारकों द्वारा निर्धारित किया जाता है कि रास्ते संकेतन के सक्रियण शामिल </sup>. एक गुरुत्वाकर्षण प्रोत्साहन के लिए प्राथमिक रूट की प्रतिक्रिया डार्विन के बाद से कम से कम अध्ययन किया गया है, अभी तक यह कैसे काम करता है के बारे में जानने के लिए काफी विशेष रूप से प्रारंभिक संकेत घटनाओं में और प्रतिक्रिया plasticity 12,14,15 mediating कारकों में, वहाँ है. प्रतिक्रिया की गतिशीलता की एक विस्तृत समझ पाने सफलतापूर्वक एक दिया पर्यावरण 16 के भीतर स्थापित बनने के लिए पौधों की क्षमता में सुधार के लिए उपायों की खोज में महत्वपूर्ण है. इसके अलावा, जड़ का आकार यह उत्तरदायी छवि प्रसंस्करण आवेदन 8,12,17 के लिए बनाता है. साथ में ले ली, जड़ gravitropic प्रतिक्रिया जीवधारी समारोह के जीनोमिक्स स्तर के अध्ययन के संचालन के उद्देश्य के लिए उच्च throughput इमेजिंग प्रौद्योगिकी के विकास के लिए एक आदर्श व्यवस्था है.
इस रिपोर्ट में, सस्ती, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध flatbed स्कैनर का उपयोग कर जड़ gravitropic प्रतिक्रिया की छवि को पकड़ने के लिए एक उच्च throughput, उच्च संकल्प विधि प्रस्तुत किया है. का अवलोकनप्रोटोकॉल चित्रा 1 में दिखाया गया है. अगर प्लेटों पर लगाए seedlings कस्टम Plexiglas प्लेट धारकों के साथ लगे खड़ी उन्मुख flatbed स्कैनर पर तैनात थे. छवियाँ 4,800 डीपीआई पर हर कुछ मिनटों एकत्र की है और एक स्थानीय ड्राइव या डेटा सर्वर पर बच गए. प्रत्येक छवि श्रृंखला के साथ संबद्ध मेटाडाटा एक डेटाबेस पर संग्रहीत किया जाता है और संग्रहीत छवियों कार्रवाई कर रहे हैं. दृष्टिकोण छवि को पकड़ने के लिए VueScan सॉफ्टवेयर का उपयोग करता है. VueScan (सामग्री तालिका देखें) विंडोज, मैक या लिनक्स ऑपरेटिंग सिस्टम पर 2,100 से अधिक विभिन्न स्कैनर चलाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. 4,800 डीपीआई के एक स्कैनर संकल्प तय सीसीडी कैमरों 1,8,12 का उपयोग पिछले अध्ययनों में हासिल संकल्प मैच के लिए इस आवेदन में इस्तेमाल किया गया था. आम अंतरफलक के साथ VueScan सॉफ्टवेयर का लचीलापन यह है कि यह उपयोगकर्ताओं को आसानी से इस अखबार में प्रस्तुत प्रोटोकॉल के लिए पर्याप्त संकल्प के किसी भी स्कैनर हार्डवेयर को अपनाने के लिए अनुमति देता है चलाता किसी भी स्कैनर के लिए उपयोग करता है. वर्तमान throughput की वसूली के लिए की अनुमति देता हैप्रति दिन 216 व्यक्ति हिमायती हैं. प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालयों को अनुसंधान के लिए उच्च विद्यालयों से लेकर संस्थानों में उपयोग के लिए अनुकूलनीय और स्केलेबल है. इसके अलावा, एकत्र छवियों छवि विश्लेषण अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त गुणवत्ता के हैं.
सटीक प्ररूपी अवलोकन एक जीव के भीतर जीन समारोह की अभिव्यक्तियों को समझने के लिए महत्वपूर्ण है. प्ररूपी जानकारी प्राप्त करने के लिए एक तरह से उच्च संकल्प छवि डेटा का कब्जा के माध्यम से है. विकसित स्कैनर आधारित प्लेटफॉर्म घंटे के एक नंबर पर उच्च संकल्प (4800 डीपीआई) में कई छवियों का संग्रह (200 छवियों / स्कैन अवधि) के लिए सक्षम है. इसके अतिरिक्त, इस मंच आसानी वजह से एक आम अंतरफलक 18 का उपयोग करते हुए विभिन्न स्कैनर के हजारों चलाने के लिए VueScan सॉफ्टवेयर के लचीलेपन के लिए प्रयोगशाला और कक्षा वातावरण की एक किस्म के लिए अनुकूल है.
यहाँ प्रस्तुत विधि बड़े पैमाने phenotyping सुविधाओं और एक भी प्रयोगशाला में लागू स्वचालित प्रणाली से फैली कि उच्च throughput छवि पर कब्जा में एक शून्य भरता है. वर्तमान में उपलब्ध उच्च throughput प्लेटफार्मों पी के उच्च संकल्प छवियों पर कब्जा करने के लिए, रोबोट समर्थन करता है पर घुड़सवार कैमरों सहित विशेष इमेजिंग हार्डवेयर, का उपयोग करते हैंrimarily जमीन संयंत्र के ऊतकों (LemnaTec द्वारा संयंत्र एकीकृत प्रौद्योगिकी और Scanalyzer एचटीएस के लिए जैसे केंद्र) 20,21 ऊपर. वे मिट्टी पर्यावरण (प्लांट एकीकृत प्रौद्योगिकी के लिए जैसे केंद्र) 11,22,23 में बढ़ने के रूप में एक्स – रे और एमआरआई प्रौद्योगिकियों का उपयोग विशेष इमेजिंग सिस्टम भी उल्लेखनीय संकल्प के साथ मैदान ऊतकों नीचे की छवि के लिए विकसित किया गया है. अधिक विशिष्ट प्रौद्योगिकी के इस विकास गतिशील प्ररूपी पढ़ाई और अधिक कठिन बना रही है, की लागत पर आम तौर पर है. महत्वपूर्ण बात, इन उच्च अंत प्लेटफार्मों के लिए लागत और बुनियादी सुविधाओं की जरूरत छोटे प्रयोगशालाओं में कार्यान्वयन के लिए उन्हें अधिकतर unfeasible बना.
प्लेटफार्म भी अधिक मानक छवि पर कब्जा प्रौद्योगिकी का उपयोग करें और अच्छी तरह से इस तरह के एक गुरुत्वाकर्षण उत्तेजना को जड़ प्रतिक्रिया के रूप में गतिशील प्रतिक्रियाओं की माप के लिए अनुकूल हैं, जो विकसित किया गया है. उदाहरण के लिए, सीसीडी कैमरों उच्च पर प्रकाश और गुरुत्वाकर्षण के लिए व्यक्तिगत अंकुर प्रतिक्रियाओं पर कब्जा करने के लिए इस्तेमाल किया गया हैस्थानिक और अस्थायी समाधान 1,8,12. अन्य प्रणालियों एक एकल छवि (iPlant सहयोगात्मक द्वारा जैसे RootTipMulti) 17,24 से कई जड़ों की जड़ टिप उन्मुखीकरण की माप की अनुमति विकसित किया गया है. पूर्व मामले में, throughput अपेक्षाकृत कम उत्तरार्द्ध मामले में throughput अधिक है, जबकि केवल एक अंकुर एक समय में प्रत्येक कैमरे ने उतारी है कि दिए गए, लेकिन आम तौर पर संकल्प की कीमत पर है.
इस पत्र में उल्लिखित प्रक्रिया उपकरण और आसानी से उपलब्ध है और अपेक्षाकृत सस्ती कर रहे हैं कि सॉफ्टवेयर के साथ उच्च throughput में उच्च संकल्प छवियों पर कब्जा करने के लिए एक मंच प्रस्तुत करता है. इस स्थापना का उपयोग, 1,080 व्यक्ति जड़ प्रतिक्रियाओं छह स्कैनर के एक बैंक से लैस एक भी प्रयोगशाला में प्रत्येक सप्ताह एकत्र किया जा सकता है. प्रति सप्ताह 864 व्यक्ति प्रतिक्रियाओं के एक औसत इकट्ठा करने के 15 महीनों में 41,625 पौधों की एक कुल एक जीनोमिक्स के अध्ययन के लिए स्कैन किया गया. व्यक्तिगत संग्रह का लगभग 15% की वजह से सेटअप त्रुटि, netwo करने में विफलआर.के. विफलता या उपकरण की खराबी. एक और 22% की प्रतिक्रियाएं एक विकास प्रतिक्रिया प्रकाश में लाना करने के कारण अंकुरण या अपर्याप्त जड़ विकास की कमी के कारण विफल रहा. अंतिम डेटा सेट 163 पुनः संयोजक जन्मजात लाइनों से एक गुरुत्वाकर्षण प्रोत्साहन के लिए 27475 व्यक्ति अंकुर प्रतिक्रियाओं के साथ साथ 99 के पास isogenic लाइनों के होते हैं. डेटा यह एक बहुत ही उच्च throughput दृष्टिकोण है, जिससे एक भी प्रयोगशाला में एकत्र किए गए थे. यहां तक कि अधिग्रहण के लिए उपकरणों का इस्तेमाल किया यह भी भारी उपयोग के साथ दो साल के लिए मज़बूती से काम कर रही है, अपेक्षाकृत सस्ती है कि दिए गए.
इस प्रोटोकॉल इस समूह के अनुसंधान उद्देश्य के लिए बहुत उपयोगी हो गया है, वहीं कुछ सीमाएं अभी भी मौजूद हैं. क्योंकि दिन प्रति असम्पीडित छवि डेटा के बारे में 50 जीबी के throughput के, यह प्रभावी संपीड़न योजनाओं विकसित किया जा सकता जब तक कि अंतरिक्ष की एक बड़ी राशि घर छवियों की जरूरत थी कि स्पष्ट किया गया था. भंडारण की समस्या अस्थायी रूप से प्रत्येक कंप्यूटर के लिए बाहरी हार्ड ड्राइव खरीद के द्वारा हल किया गया था. इसके अलावा, दो 10 टीबी नेटवर्क जुड़ा भंडारण उपकरणों खरीदे गए थे. ऊपर वर्णित के रूप में बाद में, संपीड़न एल्गोरिदम करने के लिए 60% (चित्रा 8) द्वारा डेटा के आकार को कम करने में मदद कर सकते हैं, जो विकसित किए गए. यह डेटा एक नेटवर्क जुड़ा भंडारण युक्ति को बचाया जा सकता है जिस गति से नेटवर्क कनेक्शन की गति पर निर्भर है कि नोट करना महत्वपूर्ण है. संपीड़न योजनाओं के कारण भी छवि डेटा की हानि को रोकने के लिए इच्छा के लिए विवश किया गया है.
एक स्कैनर आधारित इमेजिंग सिस्टम के लिए विशिष्ट अन्य सीमाओं पर भी विचार किया जा रहा है. उदाहरण के लिए, एक स्कैनर आधारित दृष्टिकोण में पौधों प्रत्येक स्कैन के दौरान सफेद और संभावित अवरक्त पर्वतमाला में उच्च तीव्रता प्रकाश के संपर्क में हैं. Seedlings अभी भी (चित्रा 7) एक गुरुत्वाकर्षण उत्तेजना को मजबूत प्रतिक्रियाओं से गुजरना करने के लिए मनाया जा सकता है, हालांकि यह संभावना, अंकुर विकास को प्रभावित करता है. एक भविष्य सुधार केवल अवरक्त एल ई डी सक्रिय हैं कि इस तरह के स्कैनर प्रोग्रामिंग शामिल सकता है. सक्रिय शहरी में एक क्षेत्रटी अच्छी तरह से इन छवि डेटा के संकल्प और throughput के लिए मिलान विश्लेषण एल्गोरिदम का सृजन है. इस स्कैनर आधारित पद्धति का उपयोग कर उत्पन्न बड़े डेटा सेट अंकुर छवियों के उच्च throughput phenotyping के लिए मजबूत उपकरण के विकास के लिए आदर्श रहा है. 7 चित्र में दिखाया गया है कि इन छवियों पर कार्यरत संपीड़न एल्गोरिथ्म वे छवि विश्लेषण अनुप्रयोगों के लिए उत्तरदायी हैं कि दावे का समर्थन करता है. इसके अतिरिक्त, जनित छवियों वे कम संकल्प (कम से कम 1,200 डीपीआई) में एकत्र कर रहे हैं, तो पहले प्रकाशित एल्गोरिथ्म, RootTrace 17,24 से विश्लेषण किया जा सकता है, और व्यक्तिगत seedlings के विश्लेषण से पहले ऊपर वर्णित संपीड़न एल्गोरिथ्म का उपयोग कर छवि से खंडित कर रहे हैं. जड़ विकास डेटा टिप कोण डेटा 900 डीपीआई (अप्रकाशित अवलोकन) के लिए कम छवियों से निकाला जा सकता है, जबकि 1200 डीपीआई को कम छवियों से निकाला जा सकता है.
इस पत्र में उल्लिखित प्रक्रिया Roo की दुनिया में अपने खुद के आला में फिट बैठता हैअभी भी अपेक्षाकृत सस्ती जा रहा है, जबकि यह उच्च throughput और उच्च संकल्प है कि टी इमेजिंग. इस दृष्टिकोण का एक अतिरिक्त लाभ यह है कि आसानी से एक विशेष अनुसंधान समूह की इमेजिंग जरूरतों को पूरा करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है.
The authors have nothing to disclose.
यह काम राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (पुरस्कार संख्या IOS-1031416) से अनुदान द्वारा वित्त पोषित किया गया और नाथन मिलर, लोगान जॉनसन और विस्कॉन्सिन विश्वविद्यालय के एडगर Spalding और ब्रायन Bockelman, कार्ल Lundstedt और दाऊद Swanson के सहयोग से आयोजित किया गया है नेब्रास्का हॉलैंड कम्प्यूटिंग सेंटर के विश्वविद्यालय.
Epson Perfection V700 Photo Scanners | Epson | B11B178011 | – |
Plexiglas Scanner Template | – | – | Custom made. See Figure 2. |
Smart Strap Bungee Cords | SmartStraps | Wal-Mart 1079478 | |
Brinks Digital Outdoor Timers | Brinks | Wal-Mart 42-1014-2 | |
VueScan Software | Hamrick Software | http://www.hamrick.com | |
Segmentation Software | Chris Wentworth, Doane College | https://sites.google.com/a/doane.edu/compphy-doane/projects/root-gravitropism/image-segmentation | |
3M Micropore Tape | Fisher Scientific | 19-061-655 | – |
Holding racks | – | – | Custom made by gluing two cookie racks together. |