Micron-skala fænotyper teknikker af majs kardiovaskulære bundter baseret på X-ray Microcomputed tomografi
Summary
Vi leverer en roman metode til at forbedre X-ray absorption kontrast af majs væv egnet til almindelig microcomputed Computertomografi scanning. Baseret på CT billeder, indføre vi et sæt af billedbehandling arbejdsprocesser for forskellige majs materialer til effektivt uddrag mikroskopiske fænotyper af kardiovaskulære bundter af majs.
Abstract
Det er nødvendigt at nøjagtigt kvantificere de anatomiske strukturer i majs materialer baseret på høj overførselshastighed billede analyseteknikker. Her give vi prøve forberedelse protokol for majs materialer (dvs., stængel, blade og rod) egnet til almindelig microcomputed tomografi (mikro-CT) scanning. Baseret på CT højopløsningsbilleder af majs stængel, blade og rod, vi beskriver to protokoller for fænotypiske analyser af kardiovaskulære bundter: (1) baseret på CT billede af majs stænglen og blade, udviklede vi et bestemt billede analyse pipeline hen til automatisk uddrag 31 og 33 fænotypisk træk af kardiovaskulære bundter; (2) baseret på CT billede serie af majs rod, vi oprette et billede behandling ordning for de tre-dimensionelle (3-D) segmentering af metaxylem fartøjer, og udvindes todimensionale (2D) og 3D-fænotypisk træk, såsom lydstyrke, areal af metaxylem fartøjer, osv. Sammenlignet med traditionel manuel måling af kardiovaskulære bundter af majs materialer, forbedre de foreslåede protokoller væsentligt effektiviteten og nøjagtigheden af micron-skala fænotypiske kvantificering.
Introduction
Majs kar systemet kører gennem hele planten, fra rod og stængel til bladene, som udgør de vigtigste transport stier for at levere vand, mineralske næringsstoffer og organiske stoffer1. En anden vigtig funktion af det vaskulære system er at give mekanisk støtte for majs anlægget. For eksempel, hænger morfologi, antal og fordeling af kardiovaskulære bundter i rødder og stængler tæt sammen med logi modstanden af majs planter2,3. I øjeblikket undersøgelser på den anatomiske struktur af kardiovaskulære bundter udnytte primært mikroskopiske og ultramicroscopic teknikker for at få vist de anatomiske strukturer i en bestemt del af stængel, blade eller rod, og derefter måle og tælle disse strukturer af renter af manuel undersøgelse. Utvivlsomt, manuel måling af forskellige mikroskopiske strukturer i store microimages er en meget kedelig og ineffektive arbejde og begrænser alvorligt præcision af microphenotypic træk, på grund af sin subjektivitet og inkonsekvens4, 5.
Majs har ingen sekundære vækst, og celleindhold hovedsagelig består af vand i den primære meristem. Uden nogen forbehandling, kan friske prøver af majs væv direkte scannes ved hjælp af en mikro-CT enhed; de scanning resultater er dog nok fattige og uslebne. De vigtigste grunde kan opsummeres som følger: (1) lav dæmpning tætheder af plantevæv, hvilket resulterer i en lav kontrast atomnummer og høj støj i billeder; (2) fersk plantematerialer er tilbøjelige til at dehydrere og skrumpe under normal scanning miljø, som rapporteret af Du6. De ovennævnte problemer er blevet de vigtigste begrænsninger for udvikling og anvendelse af microphenotyping teknologi for majs, hvede, ris og andre enkimbladede. Her introducerer vi prøve forberedelse-protokollen til at forbehandle prøver af majs stængel, blade og rod. Denne protokol forhindrer dehydrering og deformation af plantematerialer under CT scanning; således, det er gavnligt at øge bevarelse tidspunktet for planten prøver med nondeformation. Derudover øger trinnet farvning baseret på solid jod også kontrasten af plantematerialer; således, det gør betydelige forbedringer i den billeddiagnostiske kvalitet af mikro-CT. Vi har endvidere udviklet billedbehandlingsprogram, opkaldt VesselParser, til at behandle CT billederne af majs stilke og blade. Denne software integrerer et sæt af billedbehandling rørledninger til at udføre høj overførselshastighed og automatisk fænotyper analyse for 2D-CT billeder af forskellige plantevæv. Kardiovaskulære bundter i hele tværsnittet af majs stænglen og blade er registreret, udtrukket og identificeret ved hjælp af en automatisk billedbehandling metode. Som et resultat, får vi 31 mikroskopiske fænotyper af majs stilken og 33 mikroskopiske fænotyper af majs bladet. For CT billede serie af majs roden udviklede vi en billed-oparbejdelse ordning at erhverve 3-D fænotypisk træk af metaxylem skibe. Denne ordning er overlegen i effektiviteten af image erhvervelse og genopbygning sammenlignet med traditionelle metoder.
Disse resultater viser, at billedbehandling rørledninger overvejer almindelige X-ray mikro-CT billeddannelse egenskaber giver en effektiv metode til den mikroskopiske fænotyper af kardiovaskulære bundter; Dette ekstremt udvider anvendelser af CT teknikker i plantevidenskab og forbedrer den automatiske fænotyper af plantematerialer på cellulære opløsning6,7.
Protocol
Representative Results
Discussion
Med den vellykkede anvendelse af CT teknologi inden for biomedicin og materialevidenskab, er denne teknologi blevet gradvis indført i inden for botanik og landbruget, fremme forsker i anlægget biovidenskab som en lovende teknisk værktøj . I slutningen af 1990 ‘ erne, blev CT teknologi første gang brugt til at studere de morfologiske strukturer og udviklingen af plante rodsystemer. I det seneste årti, synkrotron HRCT er blevet et stærkt, ikke-destruktiv værktøj for anlægget biologer, og held har været anvendt t…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev støttet af National karakter Science Foundation of China (No.31671577), videnskab og teknologi Innovation særlige konstruktion finansieret Program af Beijing Academy for landbrug og skovbrug Sciences(KJCX20180423), forskningen Development Program af Kina (2016YFD0300605-01), Beijing Natural Science Foundation (5174033), Beijing postdoc Research Foundation (2016 ZZ-66), og Beijing akademi for landbrug og skovbrug Sciences Grant (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 |
Referências
- Lucas, W. J., et al. The plant vascular system: evolution, development and functions. Journal of Integrative Plant Biology. 55, 294-388 (2013).
- Gou, L., et al. Effect of population density on stalk lodging resistant mechanism and agronomic characteristics of maize. Acta Agronomica Sinia. 33, 1688-1695 (2007).
- Hu, H., et al. QTL mapping of stalk bending strength in a recombinant inbred line maize population. Theoretical and Applied Genetics. 126, 2257-2266 (2013).
- Wilson, J. R., Mertens, D. R., Hatfield, R. D. Isolates of cell types from sorghum stems: Digestion, cell wall and anatomical characteristics. Journal of the Science of Food and Agriculture. 63, 407-417 (1993).
- Hatfield, R., Wilson, J., Mertens, D. Composition of cell walls isolated from cell types of grain sorghum stems. Journal of the Science of Food and Agriculture. 79, 891-899 (1999).
- Du, J., et al. Micron-scale phenotyping quantification and three-dimensional microstructure reconstruction of vascular bundles within maize stems based on micro-CT scanning. Functional Plant Biology. 44 (1), 10-22 (2016).
- Pan, X., et al. Reconstruction of Maize Roots and Quantitative Analysis of Metaxylem Vessels based on X-ray Micro-Computed Tomography. Canadian Journal of Plant Science. 98 (2), 457-466 (2018).
- McElrone, A. J., Choat, B., Parkinson, D. Y., MacDowell, A. A., Brodersen, C. R. Using high resolution computed tomography to visualize the three dimensional structure and function of plant vasculature. Journal of Visualized Experiments. (74), e50162 (2013).
- Cloetens, P., Mache, R., Schlenker, M., Lerbs-Mache, S. Quantitative phase tomography of Arabidopsis seeds reveals intercellular void network. Proceedings of the National Academy of Sciences of the Unites States of America. 103, 14626-14630 (2006).
- Dorca-Fornell, C., et al. Increased leaf mesophyll porosity following transient retinoblastoma-related protein silencing is revealed by microcomputed tomography imaging and leads to a system-level physiological response to the altered cell division pattern. Plant Journal. 76 (6), 914-929 (2013).
- Verboven, P., et al. Void space inside the developing seed of Brassica napus and the modelling of its function. New Phytologist. 199, 936-947 (2013).
- Brodersen, C. R., Roark, L. C., Pittermann, J. The physiological implications of primary xylem organization in two ferns. Plant, Cell & Environment. 35, 1898-1911 (2012).
- Choat, B., Brodersen, C. R., McElrone, A. J. Synchrotron X-ray microtomography of xylem embolism in Sequoia sempervirens saplings during cycles of drought and recovery. New Phytologist. 205, 1095-1105 (2015).
- Torres-Ruiz, J. M., et al. Direct x-ray microtomography observation confirms the induction of embolism upon xylem cutting under tension. Plant Physiology. 167, 40-43 (2015).
- Staedler, Y. M., Masson, D., Schönenberger, J. Plant tissues in 3D via. x-ray tomography: simple contrasting methods allow high resolution imaging. PLoS One. 8, 75295 (2013).
- Zhang, Y., Legay, S., Barrière, Y., Méchin, V., Legland, D. Color quantification of stained maize stem section describes lignin spatial distribution within the whole stem. Journal of the Science of Food and Agriculture. 61, 3186-3192 (2013).
- Legland, D., Devaux, M. F., Guillon, F. Statistical mapping of maize bundle intensity at the stem scale using spatial normalisation of replicated images. PLoS One. 9 (3), 90673 (2014).
- Heckwolf, S., Heckwolf, M., Kaeppler, S. M., de Leon, N., Spalding, E. P. Image analysis of anatomical traits in stem transections of maize and other grasses. Plant Methods. 11, 26 (2015).
- Wu, H., Jaeger, M., Wang, M., Li, B., Zhang, B. G. Three-dimensional distribution of vessels, passage cells and lateral roots along the root axis of winter wheat (Triticum aestivum). Annals of Botany. 107, 843-853 (2011).
- Chopin, J., Laga, H., Huang, C. Y., Heuer, S., Miklavcic, S. J. RootAnalyzer: A Cross-Section Image Analysis Tool for Automated Characterization of Root Cells and Tissues. PLoS One. 10, 0137655 (2015).
- Passot, S., et al. Characterization of pearl millet root architecture and anatomy reveals three types of lateral roots. Frontiers in Plant Science. 7, 829 (2016).
