Использование компьютерной томографии высокого разрешения для визуализации трехмерной структуры и функции сосудистой завод
Summary
Высокое разрешение рентгеновской компьютерной томографии (КТВР) является неразрушающим методом диагностики визуализации, которые могут быть использованы для изучения структуры и функции сосудистой завода в 3D. Мы показываем, как КТВР облегчает изучение ксилемы сети в широком диапазоне тканей растений и видов.
Abstract
Высокое разрешение рентгеновской компьютерной томографии (КТВР) является неразрушающим методом диагностики визуализации с субмикронной разрешающей способности, которая сейчас используется для оценки структуры и функции растений сети ксилемы в трех измерениях (3D) (например, Brodersen и др. . 2010; 2011; 2012A, б). КТВР визуализации основана на тех же принципах, медицинских CT системы, но высокая интенсивность синхротронного источника рентгеновского излучения приводит к более высоким пространственным разрешением и снижение времени захвата изображений. Здесь мы покажем, в деталях, как синхротронное на основе КТВР (выполняется на Advanced Light Source-LBNL Беркли, Калифорния, США) в сочетании с Avizo программного обеспечения (VSG Inc, Берлингтон, штат Массачусетс, США) в настоящее время используется для изучения растений в ксилемы подакцизным ткани и живых растений. Этот новый инструмент визуализации позволяет пользователям выйти за рамки традиционного статические, 2D световой или электронной микроскопии и изучения образцов с использованием виртуальных последовательных секций в любой плоскости. Бесконечное количество кусочков в любой ориентации сбыть сделан на том же образце, особенность, которая является физически невозможным использование традиционных методов микроскопии.
Результаты показывают, что КТВР может быть применен как для травянистых и древесных видов растений, а также ряд органов растений (например, листья, черешки, стебли, стволы, корни). Цифры, представленные здесь поможет продемонстрировать, как ряд представителей анатомия сосудистых растений и типа подробно извлечены из КТВР данных, включая сканирование на побережье красного дерева (Sequoia sempervirens), грецкий орех (Juglans SPP.), Дуб (Quercus SPP.), Клен ( Acer SPP). саженцев деревьев на подсолнечник (Helianthus Annuus), виноград (Vitis SPP.), и папоротники (Pteridium aquilinum и Woodwardia Fimbriata). Вырезанные и сушат образцы древесных пород являются самыми легкими для сканирования и обычно дает лучшее изображение. Тем не менее, в последнее время улучшения (т.е. более быстрое сканирование и образцы стабилизации) сделали это ПОССible, чтобы использовать эту технику визуализации на зеленой ткани (например, черешков) и в живых растениях. В отдельных случаях некоторые усадки гидратированных зеленых тканях растений может привести к размытости изображения и методы, чтобы избежать этих проблем описаны. Эти последние достижения с КТВР обеспечить перспективное-новому взглянуть на заводе функцию сосудов.
Introduction
Вода переносится из корней растения с листьями в сосудистой ткани, которая называется ксилемы – сеть взаимосвязанных трубопроводов, волокон и жизни, метаболически активных клеток. Транспортная функция завода ксилемы должна поддерживаться на поставку питательных веществ и воды на листья для фотосинтеза, роста, и в конечном счете выживание. Водный транспорт в ксилемы каналов может быть нарушен, когда ксилемы сеть будет скомпрометирована патогенными организмами. В ответ на такие растения инфекции часто производят гели, десен и tyloses в качестве средства для изоляции возбудителя распространения (например, McElrone и др., 2008; 2010). Засуха стресс также может ограничить водного транспорта в ксилемы. Как растения теряют воду во время продолжительной засухи, напряженность строит в ксилемы сок. Вода под напряжением является метастабильной (т.е. на определенный порог напряжения становится достаточно большим, чтобы кавитации воды столбцов, содержащихся в древесине трубопроводов). После кавитации, газовый пузырь (эмболия) может сформировать и наполнить кондUIT, эффективно блокируя движение воды (Тайри и Sperry, 1989), явление, аналогичное декомпрессионной болезни (например, "изгибы") в ныряльщики.
Несмотря на важность ксилемы водного транспорта для оптимального функционирования завода как показали огромный объем исторической и современной литературы на эту тему (Тайри & Zimmermann, 2002;. Холбрук и др., 2005), есть еще аспекты ксилемы сетей, которые остаются неизвестными . Несколько исследовательских групп в последнее время стали использовать высокое разрешение рентгеновской компьютерной томографии микро-(КТВР), чтобы оценить тонкости анатомии древесины и сосудистой ткани (например, Майо и др.; 2010, 2008; Маннес и др., 2010;. Brodersen и др. 2010 год. , 2011, 2012A, б; Maeda и Miyake, 2009; степь и др., 2004).. КТВР является неразрушающим методом, используемым для визуализации функций внутри твердых предметов и получения цифровой информации о своих 3-D структурные свойства. КТВРотличается от обычного медицинского CAT-сканирование в своей способности решать детали, как маленький микронного размера, даже для объектов высокой плотности. Последние достижения в области технологий синхротронного КТВР улучшить разрешение и отношение сигнал-шум достаточно, чтобы растение судно сетей и intervessel соединения могут быть визуализированы, присвоенный 3D-координаты, и экспортируется для гидравлического моделирования модель. Brodersen и соавт. (2011) недавно выдвинул эту технику, объединяя 3D реконструкции порожденных синхротронного КТВР с моделью Fortran, которое автоматически извлекает данные из ксилемы сети на гораздо более высокое разрешение, чем это было когда-либо возможно с традиционными методами анатомической (т.е. последовательный секционирования с микротома и захвата изображений с световой микроскопии, например, Zimmermann, 1971). Эта работа была также использована для оптимизации гидравлических моделей ксилемы системы и определены уникальные характеристики транспорта (т. е. обратный поток в некоторых веssels в периоды пиковой транспирация) (Lee и соавт., в обзоре).
Синхротронного КТВР теперь могут быть использованы для визуализации ксилемы функциональность, склонность к кавитации, и способность растений к эмболизации ремонт трубопроводов. Неспособность восстановить поток в эмболизированной каналов снижает гидравлическую мощность, пределы фотосинтеза, и приводит к гибели растений в крайних случаях (McDowell и соавт. 2008). Растения могут справиться с эмболией, отвлекая воды вокруг завалов через ямы подключении соседними функциональными трубопроводов, и ростом новых ксилемы, чтобы заменить потерянные гидравлической мощности. Некоторые растения обладают способностью восстанавливать разрывы в воде столбцов, но детали этого процесса в древесине под напряжением остаются неясными в течение десятилетий. Brodersen и соавт. (2010) недавно визуализировать и количественно процесс заправки в живой виноградной лозы использованием КТВР. Успешное судна заправки зависела от притока воды из живых клеток, окружающих XYLет каналы, где отдельные капли воды расширен с течением времени, заполненные сосуды, и вынужден роспуска захваченного газа. Потенциала различных растений для ремонта скомпрометирована ксилемы судов и механизмов, контролирующих эти ремонты в настоящее время ведется расследование.
Описание объекта ALS Beamline 8.3.2
Наша работа на сегодняшний день было проведено на жестком рентгеновском Micro-томографии Beamline 8.3.2 на Advanced Light Source в Lawrence Berkeley National Lab (Беркли штат Калифорния, США). Завод Образцы помещают в свинцовой подкладкой клетка находится в 20 м от источника рентгеновского излучения, генерируемого с помощью 6 Tesla сверхпроводящих дипольных магнитов изгиб в Advanced Light Source электронного накопителя, работающего на критическую энергию в 11,5 кэВ. Схема конечной станции показано на рисунке 1. X-лучи попадают в клетку с пучком размером 40х ~ 4,6 мм и проходит через образец, который установлен на сцене моторизованные вращающиеся.передаваемые рентгеновские лучи падают на кристалл сцинтиллятора (двух материалов, обычно используемых LuAG или CdWO 4), которые превращают рентгеновские лучи видимого света, который передается через линзы на ПЗС для коллекции изображений. Камеры, сцинтиллятор и оптики, содержащиеся в светонепроницаемый ящик, который находится на рельсах, которая позволяет образца к сцинтиллятор расстояния должны быть оптимизированы для фазы изображения контраста.
Все образцы установлены на 10 см, диаметр поворотного этапа, который в свою очередь крепится на горизонтальных и вертикальных перевод этапы позиционирования образца. Образец живого растения, с корневая система установлена в пользовательских построен завод держателя горшка и листвы, содержащиеся в акриловую трубку, можно увидеть на рисунке 2. Типичное время экспозиции может варьироваться от 0.1-1 с использованием 10-18 кэВ, длительность сканирования будет колебаться от 5-40 минут в зависимости от настроек, оптимизированных для конкретного образца. Для высоких образцов (типичный сетей завода ксилемы), данные сканирования может бытькафельные, повторяя измерения с образцом на разных высотах, которая контролируется автоматически, позволяя бесшовных серийных срезов по максимальной высоте образца ~ 10 см. Максимальная ширина образца при визуализации в 4,5 мкм, разрешение ~ 1 см для образцов, которые являются почти идеальным в вертикальной ориентации. Данные поколения и завершения обработки с использованием протокола приведены ниже. Из-за разницы в рентгеновских затухание между воздухом и водой, отличную контрастность изображения могут быть получены в растения без использования контрастных решения типичных медицинских систем КТ. Заполненные воздухом просвет сосуда легко отличить от окружающих заполненные водой ткани в гидратированных растений.
Protocol
Representative Results
Discussion
Synchotron КТВР предоставляет завод биологи с мощным, неразрушающий инструмент для изучения внутренней работы завода сосудистую с невероятной детализацией. Эта технология была использована в последнее время для выявления ранее не описанных анатомических структур в виноградной лозе ксил…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить S Castorani, AJ Eustis, GA Gambetta, CM Manuck, Z Насафи, и Зидан. Эта работа финансируется за счет: Департамент сельского хозяйства США, Служба сельскохозяйственных исследований Текущее финансирование информационной системы исследований (научно-исследовательский проект не 5306-21220-004-00; дополнительный источник света, при поддержке директора Управления науки, Управления Basic. Энергия наук, из Министерства энергетики США по контракту № DE-AC02-05CH11231). НИФА и особого культур исследовательская инициатива грант AJM.
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).
