This work was performed in the Environmental Molecular Sciences Laboratory, a national scientific user facility sponsored by the Department of Energy's Office of Biological and Environmental Research and located at Pacific Northwest National Laboratory.

זהירות: הפעלת סורק טומוגרפיה רנטגן דורשת הוא הכשרת קרינה בכלל, הדרכת בטיחות קרינה פרטנית ומכשיר. כל הנהלים המתאימים רלוונטי במעבדה של הנסיין צריך להיות אחריו. 1. הדמיה רוט הערה: שלב זה מתאר את ההדמיה של הדגימה הדשא החזיק בקרקע המקורית בסיר פלסטיק צינורי (צינור פלסטיק בקוטר של 40 מ&quot;מ, גובה של 210 מ&quot;מ, עובי דופן של כ -2 מ&quot;מ). <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניח צמח בעציץ על מניפולטור המדגם של המכשיר במרחק הרצוי עבור הגדלת היעד. עבור מפעל בעל קוטר 2 אינץ &#39;, מדגם למרחק מקור צריך להיות בערך 3 אינץ&#39; (7 ס&quot;מ). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את גדרות סריקת רנטגן כדי להשיג צבע אופטימלי (רמה אפורה) בניגוד בתמונת גלאי. הערה: הגדרות אלו זמינות תוכנות שליטת המכשיר משמשות. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סט הגדרות צריכת חשמל רנטגן; 85 קילו ו -190 מיקרו-אמפר שימשו את הבחינותple. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> גדר זמן חשיפה. הנה, זמן חשיפה ארוך יחסית של 1 שניות שימש יחס אות לרעש טוב יותר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מספר קבוע של תחזיות פריימים הקרנה; 4 פריימי הקרנה עבור סכום כולל של 3,142 תחזיות מוצעים עבור סטטיסטיקת נתונים טובה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפרסם תיקון הצללה באמצעות תנאי המדידה נקבעים מעל ידי בחירת הכרטיסייה &quot;תיקון הצללה&quot;, ולחיצה על &quot;צור&quot;. הערה: תיקון ההצללה מפצה על הווריאציה בתגובה של פיקסלים מכשיר ההדמיה כאשר מואר עם סט קבוע של שטף רנטגן. התהליך לוקח תמונות ריקות (עם מדגם ייוסר נתיב קרן) עם קרן הרנטגן הופעל, ועם הקרן כבויה. תיקון זה מיושם על כל התמונות שנאספו. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר באפשרות &quot;מזער חפצים טבעת&quot; (המכונה גם &quot;הלוך מצב&quot;); המדגם יהיה לסובב בצעדים זוויתי בעוד תמונות הקרנת נרכשים. זה מוביל datרכישה בקצב איטי, אך מסייעת לסלק חפצי טבעת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התחל את הסריקה על ידי לחיצה על הכפתור &quot;לרכוש&quot; תחת לשונית הרכישה (עם ההגדרות שתוארו לעיל, אוסף תמונה ייקח בערך 4 שעות). </li></ol></li></ol> שחזור 2. נתונים הערה: סעיף זה מתאר את ושחזור הנתונים בנפח 3D מתמונות הגלם (צילומי רנטגן מן סריקת CT). <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען את הנתונים הגולמיים לתוכנית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השוואת התמונה ראשונה ואחרונה (הם צריכים להיות זהים כמעט כמו התמונה האחרונה מצולמת לאחר סיבוב 360 מעלות של הדגימה) כדי לוודא את הדגימה לא זזה או את גדרות סריקה לא השתנו במהלך רכישת נתונים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חשב את מרכז הסיבוב (COR) על ידי בחירה בכרטיסייה &quot;הסיבוב מרכז&quot;, ולחיצה על &quot;התחל&quot;; אפשרויות השימוש &quot;אוטומטי&quot; COR מציאת עם &quot;איכות גבוהה&quot; דיוק, ו &quot;כפול&quot; (עליון ותחתון) פרוסה שלבחירות לחישוב COR. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר את נפח דגימה להיות משוחזר: בחר בכרטיסייה &quot;ווליום&quot;, ולערוך את חלונות הבחירה עוצמת הקול באמצעות תמונות ממוזערות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בצע שחזור כדי ליצור את הקובץ בנפח המכיל נתוני 3D על ידי לחיצה על &quot;התחל&quot;. </li></ol> 3. עיבוד נתונים / פילוח הערה: סעיף זה מתאר את הצעדים שיש לנקוט כדי להכין את הנתונים המשוחזרים לעיבוד נוסף ב RooTrak התכנית כדי לעקוב אחר שורשים כפי שהוא להסתעף דרך קרקע, ולבודד את השורשים מכל חומר הסובבים לייצר ערימה של תמונות בינאריות של רק השורש עצמו. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עיבוד של נתוני נפח ImageJ להכין ערימת תמונת processable RooTrak: <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען את קובץ בנפח לתוך ImageJ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תמונה בעלת ניגודיות מטב בין שורש ואדמה על ידי התאמת הגדרות הבהירות והניגודיות (לחץ על התמונה / התאם / בהירות / ניגודיות). כאשר האזור של עניין בתוך התמונה גלוי גlearly להבחין, נחשבים מותאמים ההגדרות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שמור כמו ערימת תמונת JPEG, BMP, PNG או בפורמט. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עיבוד RooTrak לפלח את השורש: <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מחסנית תמונה טען לתוך RooTrak (ללכת &quot;כלים&quot; כרטיסייה, ולחץ על &quot;מעקב&quot;). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> נקודות זרע גדר בתוך שורש: ללחוץ מספר נקודות בתוך כל אחד מסעיפי השורש הרלוונטיים הגלויים פרוס מבט מלמעלה של נתונים בנפח. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פרמטרי גשש גדר &quot;חלק&quot; ו &quot;דמיון&quot; 0.3 ו -0.8, בהתאמה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את פונקציית המעקב. זו תעבור השורש מן פרוסת טופ אימאג כל הדרך אל הפרוסה התחתונה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר הצגת נתונים בנפח, לבחור את מספר פרוסות בהתאם להיקף נתונים שמיש; במקרה זה, מעקב הופסק ב 200 פרוסות, שווה ערך עד לעומק של 6.2 מ&quot;מ, שבו גבולות שורש הפכו שהגדרתה (התמונה של השורש במעקב החלה להתמזג לתוך הקרקע). הערה:תמונת מחסנית מיוצר תישמר אוטומטית בכל מקום את ספריית הפלט נוצרה. </li></ol></li></ol> 4. כרך וניתוח Surface הערה: שלב זה מתאר את דור רשת isosurface מערימת התדמית שיצרה RooTrak. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> המרת ערימת תמונה מתוך RooTrak לפורמט תמונה בינארית ImageJ. בחר &quot;תהליך&quot;, ואז &quot;בינארי&quot;, אז &quot;הפוך בינארי&quot;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש תוסף ImageJ קוד הפתוח, BoneJ, כדי ליצור את הרשת המשולשת; ב ImageJ בחר &quot;תוספים&quot;, ואז &quot;BoneJ&quot;, ואז &quot;Isosurface&quot;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> גדר &quot;Resampling&quot; ו &quot;סף&quot; עד 6 ו -120, בהתאמה (הגדרות ברירת מחדל). בדוק &quot;משטח התכנית&quot;, ולחץ על כפתור &quot;אישור&quot;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> על &quot;הצופה 3D&quot; לחץ על הכרטיסיה קובץ, ואז על &quot;משטחים ייצוא&quot;, ולאחר מכן שמור כמו &quot;STL (בינארי)&quot;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להרחיב imeshJ, בחר את קובץ STL וזן גודל voxel ב מיקרון. לחץ על &quot;Cשטח פנים alculate &quot;לרכוש שטח הפנים שורש הכולל מדגם במ&quot;מ 2. באופן דומה, לחץ על&quot; נפח חישוב &quot;להשיג נפח השורש המדגם במ&quot;מ 3. </li></ol>

<ol>
	<li>McKenzie, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Rhizosphere:+An+Ecological+Perspective.">The Rhizosphere: An Ecological Perspective.</a> Eur. J. Soil Sci. 59 (2), 416-417 (2008).</li><li>Farrar, J., Hawes, M., Jones, D., Lindow, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+roots+control+the+flux+of+carbon+to+the+rhizosphere.">How roots control the flux of carbon to the rhizosphere.</a> Ecology. 84 (4), 827-837 (2003).</li><li>Gregory, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Roots+rhizosphere+and+soil:+the+route+to+a+better+understanding+of+soil+science?.">Roots rhizosphere and soil: the route to a better understanding of soil science?.</a> Eur. J. Soil Sci. 57 (1), 2-12 (2006).</li><li>Philippot, L., Raaijmakers, J. M., Lemanceau, P., van der Putten, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Going+back+to+the+roots:+the+microbial+ecology+of+the+rhizosphere.">Going back to the roots: the microbial ecology of the rhizosphere.</a> Nat. Rev. Microbiol. 11 (11), 789-799 (2013).</li><li>Gregory, P. J., Hutchison, D. J., Read, D. B., Jenneson, P. M., Gilboy, W. B., Morton, E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-invasive+imaging+of+roots+with+high+resolution+X-ray+micro-tomography.">Non-invasive imaging of roots with high resolution X-ray micro-tomography.</a> Plant and Soil. 255 (1), 351-359 (2003).</li><li>Mairhofer, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=RooTrak:+Automated+Recovery+of+Three-Dimensional+Plant+Root+Architecture+in+Soil+from+X-Ray+Microcomputed+Tomography+Images+Using+Visual+Tracking.">RooTrak: Automated Recovery of Three-Dimensional Plant Root Architecture in Soil from X-Ray Microcomputed Tomography Images Using Visual Tracking.</a> Plant Physiol. 158 (2), 561-569 (2012).</li><li>Anderson, S. H., Hopmans, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Soil-Water-Root Processes: Advances in Tomography and Imaging. , (2013).</li><li>Mairhofer, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recovering+complete+plant+root+system+architectures+from+soil+via+X-ray+mu-Computed+Tomography.">Recovering complete plant root system architectures from soil via X-ray mu-Computed Tomography.</a> Plant Methods. 9, 8 (2013).</li><li>Lorensen, W. E., Cline, H. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Marching+cubes:+a+high+resolution+3D+surface+construction+algorithm.">Marching cubes: a high resolution 3D surface construction algorithm.</a> Comput. Graph. 21 (4), 163-169 (1987).</li><li>Lobet, G., Draye, X., Perilleux, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+online+database+for+plant+image+analysis+software+tools.">An online database for plant image analysis software tools.</a> Plant Methods. 9 (38), (2013).</li><li>Schmidt, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+iRoCS+Toolbox+-+3D+analysis+of+the+plant+root+apical+meristem+at+cellular+resolution.">The iRoCS Toolbox - 3D analysis of the plant root apical meristem at cellular resolution.</a> Plant J. 77 (5), 806-814 (2014).</li><li>Galkovskyi, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=GiA+Roots:+software+for+the+high+throughput+analysis+of+plant+root+system+architecture.">GiA Roots: software for the high throughput analysis of plant root system architecture.</a> BMC Plant Biol. 12, 116 (2012).</li><li>Clark, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3-Dimensional+Root+Phenotyping+with+a+Novel+Imaging+and+Software+Platform.">3-Dimensional Root Phenotyping with a Novel Imaging and Software Platform.</a> Plant Physiol. 156, 455-465 (2011).</li><li>. RootSnap! Available from: <a target="_blank" href="https://www.cid-inc.com">https://www.cid-inc.com</a> (2013)</li><li>Arsenault, J. L., Pouleur, S., Messier, C., Guay, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=WinRHIZO&#8482;+a+root-measuring+system+with+a+unique+overlap+correction+method.">WinRHIZO&#8482; a root-measuring system with a unique overlap correction method.</a> HortSci. 30, 906-906 (1995).</li></ol>

We have nothing to disclose.

שילוב של טומוגרפיה ממוחשבת רנטגן וכמה תוכניות קוד פתוח התברר שילוב רב עצמה למפעל תמונה פולשנית דגימות שורש, נתוני שורש מגזר וכן לחלץ מידע כמוני (שטח פנים ונפח) מנתוני 3D. היכולת שלנו לחזות ולמדוד תכונות מוגבלות תמיד על ידי רזולוציית סריקה, כמו גם על ידי מגבלות של תוכנת ...

שורשים, כחלק rhizosphere 2-5, מייצגים חלק &quot;בלתי נראה&quot; של ביולוגית צמח מאז אדמה מקשה לשורשי תמונה הלא פולשני 6, 7. עם זאת, אשר חקרו את גידול שורש ואינטראקציה בסביבת האדמה הוא קריטי להבנה צמיחת שורש / צמח ורכיבה על אופניים מזינים, אשר בתורו משפיע על ביטחון ייעור, מזון, ואקלים. רנטגן טומוגרפיה הממוחשבת (XCT) הוכיח להיות כלי רב ערך עבור הדמיה לא פולשנית של דגימות צמח שורש הסביבה המקומית שלהם 8. על מנת למדוד לפיתוח שורש ושינויים ממדיים בתנאים שונים, ולהיות מסוגל להשוות נתונים ממערכות נתונים / דגימות שונות, צריך לחלץ מידע כמוני מנתוני טומוגרפיה. פילוח נתוני שורש מזו של הקרקע שמסביב, כלומר, את הבידוד של תמונת שורש מכל דבר אחר סביבו (כולל, למשל, מפעל שכן) הוא שלב קריטי לפני ACCUניתן לעשות ניתוח גודל שיעור. עם זאת, גישת thresholding פשוטה היא לעתים קרובות אינה עומדת על פרק עבור נתוני שורש. האתגרים קשורים שורש צמח הדמיה בקרקע כוללים וריאציות במאפייני הנחתת רנטגן של החומר שורש, ואת החפיפה בערכי הנחתה בין השורש ואדמה הנגרמת על ידי מים וחומר אורגני. בעיות אלה נפתרו להפליא לאחרונה על ידי אל Mairhofer et. בכלי המעקב החזותיים שלהם 7 RooTrak, 9. השלב הבא לאחר פילוח מוצלח היא הקביעה המדויקת של נפח שורש ושטח פנים. עוצמת השמע עשוי להיות מוערך על ידי ספירת מספר ווקסלים ומתרבים על ידי לקוביות בגודל &#39;ווקסלים כמוצגים לפני 7. לשם קביעה מדויקת יותר של שטח פן שורש נפח, isosurface של מערכת השורשים המפולחת יכול להיות מיוצג על ידי רשת של משולשים, באמצעות אלגוריתם המכונה Marching קוביות 10. החלל הפתוח מקור ImageJ 11 יכול להיות מועסק על מנת להתקרב הנפח שורש דואר מבוסס על אלגוריתם הקוביות הצועדות. למיטב ידיעתנו, רק מספר מצומצם של תוכנות קוד פתוח מוקדש חישוב נפח מבוסס טומוגרפיה / נתונים משטחים עבור דגימות שורש בטווח הסנטימטר ומעלה זמין בשלב זה 12. אחת תוכנות קוד פתוח הסתכלנו 13 מתמקדות צמיחת שורש נועדו תכונות הסלולר המאפשרות ניתוח נפח כמותית ברזולוצית תא בודד. כמה תוכנות קוד פתוח מוקדש מערכות שורש כל 14 מצוינות למערכות שורש צינורי בקוטר קטן מבוססות על הקירוב כי צורתם היא למעשה צינורי. עם זאת, קצת עבודה עם תמונות 2D ו אינן מסוגלות להתמודד עם 3D ערימות 14. יתר על כן, קירוב הצורה צינורי אינו תקף כאשר מערכות שורשים עם משטחים קשים וצורות לא אחידים, כמו אלה של עצים, נלמדות. גישה נוספת 15 משתמשת דו ממדים (2D) רצפי תמונות סיבוב העקיפים חדשן הדואר צריך עבור סורק CT יקר. הוא מודד, תקליטים, ומציג לעקור אורכי המערכת. התוכנה בדקנו מאלו רק זמינים מסחרית 16-18; הוא אינו מופיע כדי להיות מסוגל להתמודד עם תמונת 3D ערימות 16, השני הוא מדידת אורך עלה באזור ושורש כלי 17, ואילו השלישי מבוסס על ניתוח צבע 18. בהתבסס על סקר זה, אנו מציעים אפשרות costless המדמה את פני השטח והנפח של שורש ללא קשר צורתו מנתונים טומוגרפיה 3D רצוי. בונה על RooTrak בחופשיות הזמינה ImageJ, פתחנו תכנית, בשם imeshJ (ראה קובץ קוד משלימה) שמעבד רשת isosurface (קובץ stereolithography שטח) שנוצרה מנתוני שורש מפולחים, ומחשב את שטח נפח השטח של השורש ידי לעשות חישובים גיאומטריים פשוטים על נתוני מדד משולש רשת. כאן אנו מדווחים על שיטה המשלבת את השימוש הדמיה XCT,שחזור נתונים להדמיה (3D Pro התוכנה CT ו- VG סטודיו), פילוח של השורש של הדגימה מהקרקע בנתוני 3D (ImageJ תוכנה עם קוד פתוח RooTrak), והפקת המידע השטח והנפח של רשת משולשת (ImageJ ואת imeshJ קוד מחשב).

<table><tbody><tr><td>X-Tek/Metris XTH 320/225 kV&amp;nbsp;</td><td>Nikon Metrology</td><td></td><td>X-ray tomography scanner</td></tr><tr><td>Inspect X</td><td>Nikon Metrology</td><td></td><td>Instrument control software</td></tr><tr><td>CT Pro 3D</td><td>Nikon Metrology</td><td></td><td>Reconstruction software, version XT 2.2</td></tr><tr><td>VG Studio MAX</td><td>Visual Graphics GmbH</td><td></td><td>Visualization software for 3D volumes, version 2.1.5</td></tr><tr><td>ImageJ</td><td>Open-source</td><td></td><td>Image processing and analysis software, version 1.6</td></tr><tr><td>RooTrak</td><td>Open-source</td><td></td><td>Root segmentation software, version 0.3.1-b1 beta</td></tr><tr><td>imeshJ</td><td>EMSL</td><td></td><td>MATLAB script developed by the authors</td></tr><tr><td>Prairie dropseed grass sample</td><td></td><td></td><td>Sample obtained from ground in residential area</td></tr></tbody></table>

extracting metrics for three-dimensional root systems: volume and surface analysis from in-soil x-ray computed tomography data

שורשי צמח לשחק תפקיד קריטי אינטראקציות צמח אדמת חיידק המתרחש rhizosphere, כמו גם תהליכים עם השלכות חשובות לשינוי האקלים וניהול יבול. מידע גודל כמותי על השורשים בסביבה מולדתם לא יסולא בפז ללימוד צמיחה שורש תהליכים סביבתיים מעורבים צמחים. רנטגן טומוגרפיה הממוחשבת (XCT) הודגם להיות כלי יעיל עבור באתרו שורש סריקה וניתוח. החוקרים ביקשו לפתח כלי costless ויעיל המדמה את פני השטח והנפח של שורש ללא קשר צורתו מנתונים טומוגרפיה תלת ממדי (3D). מבנה השורש של dropseed Prairie (heterolepis Sporobolus) דגימה הייתה צלם באמצעות XCT. השורש שוחזר, ואת מבנה השורש העיקרי היה שחולץ מן הנתונים באמצעות שילוב של תוכנה ברישיון קוד פתוח. רשת מצולעים isosurface ואז נוצר על מנת להקל על ניתוח. פתחנו tהוא עצמאי יישום imeshJ, שנוצר ב MATLAB 1, כדי לחשב נפח שורש ושטח פנים מן הרשת. התפוקות של imeshJ הן שטח פנים (במ&quot;מ 2) ואת הנפח (במ&quot;מ 3). התהליך, תוך ניצול שילוב ייחודי של כלים מהדמית ניתוח שורש כמוני, מתואר. שילוב של XCT ותוכנות קוד פתוח התבררו שילוב רב עצמה למפעל תמונה פולשנית דגימות שורש, נתוני שורש מגזר וכן לחלץ מידע כמוני מנתוני 3D. מתודולוגיה זו של עיבוד נתוני 3D צריכה לחול על מערכות מדגם חומר / אחרים בם מתקיימים קשר בין מרכיבי הנחתת רנטגן דומה קשיים עם פילוח.

הדגימה מורכבת משני גבעולי dropseed Prairie דשא ילידים (Sporobolus heterolepis) ואת האדמה המקורית סביבו נלקח מאזור מגורים והושמו בעל צינור בצורת קטן שניתן לראות באיור 1. גודל voxel נתונים המשוחזר היה כ 31 מיקרומטר x 31 מיקרומטר x 31 מיקרומטר. קובץ הנפח המשוחזר ש?...

Watch this Scientific Journal Video about Extracting Metrics for Three-dimensional Root Systems: Volume and Surface Analysis from In-soil X-ray Computed Tomography Data at JoVE.com

Extracting Metrics for Three-dimensional Root Systems: Volume and Surface Analysis from In-soil X-ray Computed Tomography Data

חילוץ מדדים עבור מערכות רוט תלת ממדי: ניתוח עוצם Surface מן הנתונים-אדמת רנטגן טומוגרפיה הממוחשבת

מתודולוגיה לשם קבלת תמונת מצב מבנה שורש ויזואלית וכמותית מנתוני טומוגרפיה ממוחשבת רנטגן שנרכשו-קרקע מוצגת.

Plant roots play a critical role in plant-soil-microbe interactions that occur in the rhizosphere, as well as processes with important implications to ...

extracting-metrics-for-three-dimensional-root-systems-volume-surface

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Environment

8.5K Views.  Environmental Molecular Sciences Laboratory.  מתודולוגיה לשם קבלת תמונת מצב מבנה שורש ויזואלית וכמותית מנתוני טומוגרפיה ממוחשבת רנטגן שנרכשו-קרקע מוצגת. 

Video: Extracting Metrics for Three-dimensional Root Systems: Volume and Surface Analysis from In-soil X-ray Computed Tomography Data

RGB and Spectral Root Imaging for Plant Phenotyping and Physiological Research: Experimental Setup and Imaging Protocols

Better understanding of plant root dynamics is essential to improve resource use efficiency of agricultural systems and increase the resistance of crop cultivars against environmental stresses. An experimental protocol is presented for RGB and hyperspectral imaging of root systems. The approach uses rhizoboxes where plants grow in natural soil over a longer time to observe fully developed root systems. Experimental settings are exemplified for assessing rhizobox plants under water stress and studying the role of roots. An RGB imaging setup is described for cheap and quick quantification of root development over time. Hyperspectral imaging improves root segmentation from the soil background compared to RGB color based thresholding. The particular strength of hyperspectral imaging is the acquisition of chemometric information on the root-soil system for functional understanding. This is demonstrated with high resolution water content mapping. Spectral imaging however is more complex in image acquisition, processing and analysis compared to the RGB approach. A combination of both methods can optimize a comprehensive assessment of the root system. Application examples integrating root and aboveground traits are given for the context of plant phenotyping and plant physiological research. Further improvement of root imaging can be obtained by optimizing RGB image quality with better illumination using different light sources and by extension of image analysis methods to infer on root zone properties from spectral data.

An experimental protocol is presented for assessment of soil grown plant root systems with RGB and hyperspectral imaging. Combination of RGB image time series with chemometric information from hyperspectral scans optimizes insights into plant root dynamics.

RGB והדמיה ספקטרלי שורש הצמח Phenotyping ומחקר פיזיולוגיים: הגדרת הניסוי והדמיה פרוטוקולים

Better understanding of plant root dynamics is essential to improve resource use efficiency of agricultural systems and increase the resistance of crop ...

Measuring Stolons and Rhizomes of Turfgrasses Using a Digital Image Analysis System

Length and diameter of stolons or rhizomes are usually measured using simple rulers and calipers. This procedure is slow and laborious, so it is often used on a limited number of stolons or rhizomes. For this reason, these traits are limited in their use for morphological characterization of plants. The use of digital image analysis software technology may overcome measurement errors due to human mistakes, which tend to increase as the number and size of samples also increase. The protocol can be used for any kind of crop but is particularly suitable for forage or grasses, where plants are small and numerous. Turf samples consist of aboveground biomass and an upper soil layer to the depth of maximum rhizome development, depending on the species of interest. In studies, samples are washed from the soil, and stolons/rhizomes are cleaned by hand before analysis by digital image analysis software. The samples are further dried in a laboratory heating oven to measure dry weight; therefore, for each sample, the resultant data are total length, total dry weight, and average diameter. Scanned images can be corrected before analysis by excluding visible extraneous parts, such as remaining roots or leaves not removed with the cleaning process. Indeed, these fragments normally have much smaller diameters than stolons or rhizomes, so they can be easily excluded from analysis by fixing the minimum diameter below which objects are not considered. Stolon or rhizome density per unit area can then be calculated based on sample size. The advantage of this method is quick and efficient measurement of the length and average diameter of large sample numbers of stolons or rhizomes.

A software-based image analysis system provides an alternative method to study the morphology of stoloniferous and rhizomatous species. This protocol permits measurement of the length and diameter of stolons and rhizomes and can be applied to samples with a large amount of biomass and to a wide variety of species.

מדידת Stolons המלבלבים של Turfgrasses באמצעות מערכת ניתוח תמונה דיגיטלי

Length and diameter of stolons or rhizomes are usually measured using simple rulers and calipers. This procedure is slow and laborious, so it is often ...

An Optimized Rhizobox Protocol to Visualize Root Growth and Responsiveness to Localized Nutrients

Roots are notoriously difficult to study. Soil is both a visual and mechanical barrier, making it difficult to track roots in situ without destructive harvest or expensive equipment. We present a customizable and affordable rhizobox method that allows the non-destructive visualization of root growth over time and is particularly well-suited to studying root plasticity in response to localized resource patches. The method was validated by assessing maize genotypic variation in plasticity responses to patches containing 15N-labeled legume residue. Methods are described to obtain representative developmental measurements over time, measure root length density in resource-containing and control patches, calculate root growth rates, and determine 15N recovery by plant roots and shoots. Advantages, caveats, and potential future applications of the method are also discussed. Although care must be taken to ensure that experimental conditions do not bias root growth data, the rhizobox protocol presented here yields reliable results if carried out with sufficient attention to detail.

Visualizing and measuring root growth in situ is extremely challenging. We present a customizable rhizobox method to track root development and proliferation over time in response to nutrient enrichment. This method is used to analyze maize genotypic differences in root plasticity in response to an organic nitrogen source.

פרוטוקול Rhizobox ממוטבת כדי להמחיש צמיחה השורש והיענות לצרכי מזינים לשפות אחרות

Roots are notoriously difficult to study. Soil is both a visual and mechanical barrier, making it difficult to track roots in situ without destructive ...

Two-Dimensional Visualization and Quantification of Labile, Inorganic Plant Nutrients and Contaminants in Soil

We describe a method for two-dimensional (2D) visualization and quantification of the distribution of labile (i.e., reversibly adsorbed) inorganic nutrient (e.g., P, Fe, Mn) and contaminant (e.g., As, Cd, Pb) solute species in the soil adjacent to plant roots (the &#8216;rhizosphere&#8217;) at sub-millimeter (~100 &#181;m) spatial resolution. The method combines sink-based solute sampling by the diffusive gradients in thin films (DGT) technique with spatially resolved chemical analysis by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS). The DGT technique is based on thin hydrogels with homogeneously distributed analyte-selective binding phases. The variety of available binding phases allows for the preparation of different DGT gel types following simple gel fabrication procedures. For DGT gel deployment in the rhizosphere, plants are grown in flat, transparent growth containers (rhizotrons), which enable minimal invasive access to a soil-grown root system. After a pre-growth period, DGT gels are applied to selected regions of interest for in situ solute sampling in the rhizosphere. Afterwards, DGT gels are retrieved and prepared for subsequent chemical analysis of the bound solutes using LA-ICP-MS line-scan imaging. Application of internal normalization using 13C and external calibration using matrix-matched gel standards further allows for the quantification of the 2D solute fluxes. This method is unique in its capability to generate quantitative, sub-mm scale 2D images of multi-element solute fluxes in soil-plant environments, exceeding the achievable spatial resolution of other methods for measuring solute gradients in the rhizosphere substantially. We present the application and evaluation of the method for imaging multiple cationic and anionic solute species in the rhizosphere of terrestrial plants and highlight the possibility of combining this method with complementary solute imaging techniques.

This protocol presents a workflow for sub-mm 2D visualization of multiple labile inorganic nutrient and contaminant solute species using diffusive gradients in thin films (DGT) combined with mass spectrometry imaging. Solute sampling and high-resolution chemical analysis are described in detail for quantitative mapping of solutes in the rhizosphere of terrestrial plants.

הדמיה דו מימדית וכימות של Labile, חומרים מזינים ומזהמים צמחיים אנאורגניים באדמה

We describe a method for two-dimensional (2D) visualization and quantification of the distribution of labile (i.e., reversibly adsorbed) inorganic ...

Leveraging Micro-CT Scanning to Analyze Parasitic Plant-Host Interactions

Micro-CT scanning has become an established tool in investigating plant structure and function. Its non-destructive nature, combined with the possibility of three-dimensional visualization and virtual sectioning, has allowed novel and increasingly detailed analysis of complex plant organs. Interactions among plants, including between parasitic plants and their hosts, can also be explored. However, sample preparation before scanning becomes crucial due to the interaction between these plants, which often differ in tissue organization and composition. Furthermore, the broad diversity of parasitic flowering plants, ranging from highly reduced vegetative bodies to trees, herbs, and shrubs, must be considered during the sampling, treatment, and preparation of parasite-host material. Here two different approaches are described for introducing contrast solutions into the parasite and/or host plants, focusing on analyzing the haustorium. This organ promotes connection and communication between the two plants. Following a simple approach, details of haustorium tissue organization can be explored three-dimensionally, as shown here for&#160;euphytoid, vine, and mistletoe parasitic species. Selecting specific contrasting agents and application approaches also allow detailed observation of endoparasite spread within the host body and detection of direct vessel-to-vessel connection between parasite and host, as shown here for an obligate root parasite. Thus, the protocol discussed here can be applied to the broad diversity of parasitic flowering plants to advance the understanding of their development, structure, and functioning.

Micro-CT is a non-destructive tool that can analyze plant structures in three dimensions. The present protocol describes the sample preparation to leverage micro-CT to analyze parasitic plant structure and function. Different species are used to highlight the advantages of this method when coupled with specific preparations.

מינוף סריקת מיקרו-CT לניתוח אינטראקציות טפיליות בין צמח למארח

Micro-CT scanning has become an established tool in investigating plant structure and function. Its non-destructive nature, combined with the possibility ...

ניתוח טבעות עץ בתפוקה גבוהה והערכת צפיפות

Tree Core Analysis with X-ray Computed Tomography

An X-ray computed tomography (CT) toolchain is presented to obtain tree-ring width (TRW), maximum latewood density (MXD), other density parameters, and quantitative wood anatomy (QWA) data without the need for labor-intensive surface treatment or any physical sample preparation. The focus here is on increment cores and scanning procedures at resolutions ranging from 60 &#181;m down to 4 &#181;m. Three scales are defined at which wood should be looked at: (i) inter-ring scale, (ii) ring scale, i.e., tree-ring analysis and densitometry scale, as well as (iii) anatomical scale, the latter approaching the conventional thin-section quality. Custom-designed sample holders for each of these scales enable high-throughput scanning of multiple increment cores. A series of software routines were specifically developed to efficiently treat three-dimensional X-ray CT images of the tree cores for TRW and densitometry. This work briefly explains the basic principles of CT, which are needed for a proper understanding of the protocol. The protocol is presented for some known species that are commonly used in dendrochronology. The combination of rough density estimates, TRW and MXD data, as well as quantitative anatomy data, allows us to broaden and deepen current analyses for climate reconstructions or tree response, as well as further develop the field of dendroecology/climatology and archeology.

מחבר זרקור: התקדמות בשרשרת כלי CT רנטגן לניתוח ליבת עץ

Here we show how to process tree cores with an X-ray computed tomography toolchain. Except for chemical extraction for some purposes, no further physical lab treatment is needed. The toolchain can be used for biomass estimations, for obtaining MXD/tree-ring width data as well as for obtaining quantitative wood anatomy data.

ניתוח ליבת עץ עם טומוגרפיה ממוחשבת רנטגן

An X-ray computed tomography (CT) toolchain is presented to obtain tree-ring width (TRW), maximum latewood density (MXD), other density parameters, and ...

Visualization of Failure and the Associated Grain-Scale Mechanical Behavior of Granular Soils under Shear using Synchrotron X-Ray Micro-Tomography

The rapid development of X-ray imaging techniques with image processing and analysis skills has enabled the acquisition of CT images of granular soils with high-spatial resolutions. Based on such CT images, grain-scale mechanical behavior such as particle kinematics (i.e., particle translations and particle rotations), strain localization and inter-particle contact evolution of granular soils can be quantitatively investigated. However, this is inaccessible using conventional experimental methods. This study demonstrates the exploration of the grain-scale mechanical behavior of a granular soil sample under triaxial compression using synchrotron X-ray micro-tomography (&#956;CT). With this method, a specially fabricated miniature loading apparatus is used to apply confining and axial stresses to the sample during the triaxial test. The apparatus is fitted into a synchrotron X-ray tomography setup so that high-spatial resolution CT images of the sample can be collected at different loading stages of the test without any disturbance to the sample. With the capability of extracting information at the macro scale (e.g., sample boundary stresses and strains from the triaxial apparatus setup) and the grain scale (e.g., grain movements and contact interactions from the CT images), this procedure provides an effective methodology to investigate the multi-scale mechanics of granular soils.

The protocol describes procedures to acquire high-spatial resolution computed tomography (CT) images of a granular soil during triaxial compression, and to apply image processing techniques to these CT images to explore the grain-scale mechanical behavior of the soil under loading.

ויזואליזציה של כישלון והתנהגות מכנית בקנה מידה מכני של קרקעות גרעיניות תחת הטיה באמצעות סינכרוטרון X-Ray מיקרו טומוגרפיה

The rapid development of X-ray imaging techniques with image processing and analysis skills has enabled the acquisition of CT images of granular soils ...

Engineering

Using High Resolution Computed Tomography to Visualize the Three Dimensional Structure and Function of Plant Vasculature

High resolution x-ray computed tomography (HRCT) is a non-destructive diagnostic imaging technique with sub-micron resolution capability that is now being used to evaluate the structure and function of plant xylem network in three dimensions (3D) (e.g. Brodersen et al. 2010; 2011; 2012a,b). HRCT imaging is based on the same principles as medical CT systems, but a high intensity synchrotron x-ray source results in higher spatial resolution and decreased image acquisition time. Here, we demonstrate in detail how synchrotron-based HRCT (performed at the Advanced Light Source-LBNL Berkeley, CA, USA) in combination with Avizo software (VSG Inc., Burlington, MA, USA) is being used to explore plant xylem in excised tissue and living plants. This new imaging tool allows users to move beyond traditional static, 2D light or electron micrographs and study samples using virtual serial sections in any plane. An infinite number of slices in any orientation can be made on the same sample, a feature that is physically impossible using traditional microscopy methods.
Results demonstrate that HRCT can be applied to both herbaceous and woody plant species, and a range of plant organs (i.e. leaves, petioles, stems, trunks, roots). Figures presented here help demonstrate both a range of representative plant vascular anatomy and the type of detail extracted from HRCT datasets, including scans for coast redwood (Sequoia sempervirens), walnut (Juglans spp.), oak (Quercus spp.), and maple (Acer spp.) tree saplings to sunflowers (Helianthus annuus), grapevines (Vitis spp.), and ferns (Pteridium aquilinum and Woodwardia fimbriata). Excised and dried samples from woody species are easiest to scan and typically yield the best images. However, recent improvements (i.e. more rapid scans and sample stabilization) have made it possible to use this visualization technique on green tissues (e.g. petioles) and in living plants. On occasion some shrinkage of hydrated green plant tissues will cause images to blur and methods to avoid these issues are described. These recent advances with HRCT provide promising new insights into plant vascular function.

High resolution x-ray computed tomography (HRCT) is a non-destructive diagnostic imaging technique that can be used to study the structure and function of plant vasculature in 3D. We demonstrate how HRCT facilitates exploration of xylem networks across a wide range of plant tissues and species.

שימוש ברזולוציה גבוהה טומוגרפיה ממוחשבת כדי להמחיש את המבנה התל ממדים ופונקציה של הצמח vasculature

High resolution x-ray computed tomography (HRCT) is a non-destructive diagnostic imaging technique with sub-micron resolution capability that is now being ...

חילוץ מדדים עבור מערכות רוט תלת ממדי: ניתוח עוצם Surface מן הנתונים-אדמת רנטגן טומוגרפיה הממוחשבת

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video

RGB והדמיה ספקטרלי שורש הצמח Phenotyping ומחקר פיזיולוגיים: הגדרת הניסוי והדמיה פרוטוקולים

מדידת Stolons המלבלבים של Turfgrasses באמצעות מערכת ניתוח תמונה דיגיטלי

פרוטוקול Rhizobox ממוטבת כדי להמחיש צמיחה השורש והיענות לצרכי מזינים לשפות אחרות

הדמיה דו מימדית וכימות של Labile, חומרים מזינים ומזהמים צמחיים אנאורגניים באדמה

מינוף סריקת מיקרו-CT לניתוח אינטראקציות טפיליות בין צמח למארח

ניתוח ליבת עץ עם טומוגרפיה ממוחשבת רנטגן

ניתוח ליבת עץ עם טומוגרפיה ממוחשבת רנטגן

ניתוח ליבת עץ עם טומוגרפיה ממוחשבת רנטגן

ויזואליזציה של כישלון והתנהגות מכנית בקנה מידה מכני של קרקעות גרעיניות תחת הטיה באמצעות סינכרוטרון X-Ray מיקרו טומוגרפיה

שימוש ברזולוציה גבוהה טומוגרפיה ממוחשבת כדי להמחיש את המבנה התל ממדים ופונקציה של הצמח vasculature