فإن الكتاب أود أن أشكر S Castorani، [إيوستيس] AJ، GAMBETTA GA، Manuck CM، النسفي Z، وزيدان A. وقد تم تمويل هذا العمل من قبل: وزارة الزراعة الأمريكية، بحوث الزراعية التمويل الخدمة البحثية الحالية نظام المعلومات (مشروع بحثي لا 5306-21220-004-00؛ ويدعم مصدر الضوء المتقدم من قبل مدير مكتب العلوم ومكتب الأساسية. علوم الطاقة، وزارة الطاقة في الولايات المتحدة بموجب العقد رقم DE-AC02-05CH11231)؛ وNIFA بحوث المحاصيل الاختصاص مبادرة منحة لAJM.

<ol>
	<li>Brodersen, C. R., McElrone, A. J., Choat, B., Matthews, M. A., Shackel, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+dynamics+of+embolism+repair+in+xylem:+in+vivo+visualizations+using+high+resolution+computed+tomography.">The dynamics of embolism repair in xylem: in vivo visualizations using high resolution computed tomography.</a> Plant Physiology. 154, 1088-1095 (2010).</li><li>Brodersen, C. R., Lee, E., Choat, B., Jansen, S., Phillips, R. J., Shackel, K. A., McElrone, A. J., Matthews, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+analysis+of+3D+xylem+networks+using+high+resolution+computed+tomography+(HRCT).">Automated analysis of 3D xylem networks using high resolution computed tomography (HRCT).</a> New Phytologist. 191 (4), 1168-1179 (2011).</li><li>Brodersen, C., Roark, L., Pittermann, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+physiological+implications+of+primary+xylem+organization+in+two+ferns.">The physiological implications of primary xylem organization in two ferns.</a> Plant, Cell &amp; Environment. , (2012).</li><li>Brodersen, C., Choat, B., Chatelet, D., Shackel, K. A., Matthews, M. A., McElrone, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conductive+xylem+bridges+contribute+differentially+to+radial+connectivity+in+grapevine+stems+(Vitis+vinifera+and+V.+arizonica).">Conductive xylem bridges contribute differentially to radial connectivity in grapevine stems (Vitis vinifera and V. arizonica).</a> American Journal of Botany. , (2012).</li><li>McElrone, A. J., Jackson, S., Habdas, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydraulic+disruption+and+passive+migration+by+a+bacterial+pathogen+in+oak+tree+xylem.">Hydraulic disruption and passive migration by a bacterial pathogen in oak tree xylem.</a> Journal of Experimental Botany. 59, 2649-2657 (2008).</li><li>McElrone, A. J., Grant, J., Kluepfel, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+ethylene-induced+tyloses+in+canopy+hydraulic+failure+of+mature+walnut+trees+afflicted+with+apoplexy+disorder.">The role of ethylene-induced tyloses in canopy hydraulic failure of mature walnut trees afflicted with apoplexy disorder.</a> Tree Physiology. 30, 761-772 (2010).</li><li>Tyree, M., Sperry, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vulnerability+of+xylem+to+cavitation+and+embolism.">Vulnerability of xylem to cavitation and embolism.</a> Annual Review of Plant Biology. 40 (1), 19-36 (1989).</li><li>Tyree, M., Zimmermann, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Xylem structure and the ascent of sap. , (2002).</li><li>Holbrook, N. M., Zwienieck, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Vascular Transport in Plants. , (2005).</li><li>Mayo, S. C., Chen, F., Evans, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micron-scale+3D+imaging+of+wood+and+plant+microstructure+using+high-resolution+x-ray+phase-contrast+microtomography.">Micron-scale 3D imaging of wood and plant microstructure using high-resolution x-ray phase-contrast microtomography.</a> Journal of Structural Biology. 171, 182-188 (2010).</li><li>Mannes, D., Marone, F., 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=Application+areas+of+synchrotron+radiation+tomographic+microscopy+for+wood+research.">Application areas of synchrotron radiation tomographic microscopy for wood research.</a> Wood Science and Technology. 44, 67-84 (2010).</li><li>Maeda, E., Miyake, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Japanese Journal of Crop Science. 78 (3), 382-386 (2009).</li><li>Steppe, K., Cnudde, V., 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=Use+of+x-ray+computed+microtomography+for+non-invasive+determination+of+wood+anatomical+characteristics.">Use of x-ray computed microtomography for non-invasive determination of wood anatomical characteristics.</a> Journal of Structural Biology. 148 (1), 11-21 (2004).</li><li>Zimmermann, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dicotyledonous+wood+structure+(made+apparent+by+sequential+sections).">Dicotyledonous wood structure (made apparent by sequential sections).</a> Encyclopaedia Cinematographica. , (1971).</li><li>Lee, E. F., Brodersen, C. R., McElrone, A. J., 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=Analysis+of+HRCT-derived+xylem+network+reveals+reverse+flow+in+some+vessels.">Analysis of HRCT-derived xylem network reveals reverse flow in some vessels.</a> , (2013).</li><li>McDowell, N. G., Pockman, W. 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=Mechanisms+of+plant+survival+and+mortality+during+drought:+why+do+some+plants+survive+while+others+succumb.">Mechanisms of plant survival and mortality during drought: why do some plants survive while others succumb.</a> New Phytologist. 178, 719-739 (2008).</li><li>McElrone, A. J., Brodersen, C. 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=Centrifuge+technique+consistently+overestimates+vulnerability+to+water-stress+induced+cavitation+in+grapevines+as+confirmed+with+high+resolution+computed+tomography.">Centrifuge technique consistently overestimates vulnerability to water-stress induced cavitation in grapevines as confirmed with high resolution computed tomography.</a> New Phytologist. , (2012).</li><li>Lee, K., Avondo, J., 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=Visualizing+plant+development+and+gene+expression+in+three+dimensions+using+optical+projection+tomography.">Visualizing plant development and gene expression in three dimensions using optical projection tomography.</a> Plant Cell. 18, 2145-2156 (2006).</li><li>Truernit, E., Bauby, H., 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=High-resolution+whole-mount+imaging+of+three-dimensional+tissue+organization+and+gene+expression+enables+the+study+of+phloem+development+and+structure+in+Arabidopsis.">High-resolution whole-mount imaging of three-dimensional tissue organization and gene expression enables the study of phloem development and structure in Arabidopsis.</a> Plant Cell. 20, 1494-1503 (2008).</li><li>Jahnke, S., Menzel, M. I., 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=Combined+MRI-PET+dissects+dynamic+changes+in+plant+structures+and+functions.">Combined MRI-PET dissects dynamic changes in plant structures and functions.</a> The Plant Journal. 59, 634-644 (2009).</li><li>Iyer-Pascuzzi, A. S., Symonova, O., 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=Imaging+and+analysis+platform+for+automatic+phenotyping+and+trait+ranking+of+plant+root+systems.">Imaging and analysis platform for automatic phenotyping and trait ranking of plant root systems.</a> , (2010).</li></ol>

ليس لدينا شيء في الكشف عنها.

Synchotron HRCT يقدم علماء الأحياء النباتية مع أداة قوية غير مدمرة، لاستكشاف ما يدور بداخل الأوعية الدموية محطة بالتفصيل لا يصدق. وقد استخدمت هذه التكنولوجيا مؤخرا لتحديد الهياكل التشريحية لم يسبق وصفه في الخشب الكرمة التي تغير تفاضلي الخشب اتصال الشبكة في مختلف أنواع الع...

ويتم نقل المياه من جذور النباتات إلى الأوراق في الأنسجة الوعائية ودعا الخشب - شبكة من خطوط الأنابيب مترابطة، والألياف، وعملية الأيض نشطة الخلايا الحية. يجب الحفاظ على وظيفة نقل الخشب مصنع لتوريد المواد الغذائية والمياه إلى أوراق لعملية التمثيل الضوئي والنمو والبقاء في نهاية المطاف. يمكن أن تتعطل النقل المائي في قنوات الخشب عندما يتم اختراق شبكة عن طريق الخشب الكائنات المسببة للأمراض. ردا على النباتات الإصابات غالبا ما تنتج هذه المواد الهلامية، واللثة، وtyloses كوسيلة لعزل انتشار العوامل المسببة للأمراض (مثل McElrone وآخرون 2008؛ 2010). يمكن الضغط الجفاف أيضا إلى الحد من نقل المياه في الخشب. كما تفقد النباتات الماء خلال الجفاف الذي طال أمده، والتوتر يبني في SAP الخشب. المياه تحت التوتر هو متبدل الاستقرار (أي في عتبة معينة التوتر يصبح التجويف كبيرة بما يكفي لأعمدة المياه الواردة في قنوات الخشب). بعد التجويف يحدث، يمكن للفقاعة الغاز (الانسداد) تشكيل وملء كوندUIT، ومنع بشكل فعال حركة المياه (Tyree وسبيري 1989)، وهي ظاهرة مشابهة لمرض الضغط (أي &quot;ينحني&quot;) في أعماق البحار الغواصين. على الرغم من أهمية المياه النقل الخشب مصنع لوظيفة الأمثل كما هو موضح من قبل هيئة واسعة من المؤلفات التاريخية والمعاصرة حول هذا الموضوع (Tyree وزيمرمان، 2002؛ هولبروك وآخرون، 2005)، لا تزال هناك جوانب شبكات الخشب التي لا تزال بعيدة المنال . وقد بدأت العديد من المجموعات البحثية مؤخرا باستخدام عالية الجودة الأشعة السينية التصوير المقطعي المحوسب الدقيقة (HRCT) لتقييم التفاصيل الدقيقة للتشريح الخشب والأنسجة الوعائية (مثل مايو كلينيك وآخرون؛ 2010، 2008؛ Mannes وآخرون 2010؛ برودرسن وآخرون 2010. ، 2011، 2012a، ب؛ مايدا ومياكي، 2009؛ السهوب وآخرون 2004). HRCT هي تقنية تستخدم لتصور غير تدميري الميزات في الداخل من الأجسام الصلبة والحصول على معلومات رقمية على خصائص 3-D على الهيكلية. HRCTيختلف عن التقليدية الطبية مسح-CAT في قدرتها على حل تفاصيل صغيرة مثل ميكرون في الحجم، حتى بالنسبة للكائنات ذات الكثافة العالية. وقد تحسنت التطورات الحديثة في تكنولوجيا HRCT السنكروترون دقة وضوح الصورة وإشارة إلى نسبة الضوضاء حتى بما فيه الكفاية أن شبكات اتصالات سفينة النباتية وintervessel يمكن تصور، تعيين إحداثيات 3D، وتصديرها لنماذج المحاكاة الهيدروليكية. برودرسن وآخرون (2011) تقدمت مؤخرا هذه التقنية من خلال الجمع بين عمليات إعادة البناء التي تم إنشاؤها بواسطة 3D HRCT السنكروترون مع نموذج فورتران الذي يستخرج البيانات تلقائيا من الشبكة الخشب في قرار أعلى بكثير من أي وقت مضى كان ممكنا بالوسائل التشريحية التقليدية (أي تقطيع المسلسل مع مشراح والتقاط الصور مع المجهر الضوئي، على سبيل المثال زيمرمان 1971). كما تم استخدام هذا العمل لتحسين النماذج الهيدروليكية لنظام الخشب وتحديد الخصائص الفريدة للنقل (أي التدفق العكسي في بعض هاءssels خلال فترات الذروة من النتح) (لي وآخرون، في الاستعراض). ويمكن الآن أن تستخدم السنكروترون HRCT لتصور وظيفة الخشب، القابلية للالتجويف، وقدرة النباتات على اصلاح قنوات embolized. الفشل في إعادة التدفق في قنوات embolized يقلل القدرة الهيدروليكية، والتمثيل الضوئي حدود، والنتائج في موت النباتات في الحالات القصوى (ماكدويل وآخرون 2008). يمكن للنباتات التعامل مع الصمات من خلال تحويل المياه حول انسداد قنوات الاتصال عبر حفر الوظيفية المجاورة، والتي تنمو جديدة لتحل محل الخشب القدرة الهيدروليكية المفقودة. بعض النباتات تمتلك القدرة على إصلاح فواصل الأعمدة في الماء، ولكن تفاصيل هذه العملية في الخشب تحت التوتر ظلت غير واضحة على مدى عقود. برودرسن وآخرون (2010) تصور مؤخرا وكميا عملية إعادة تعبئتها في الكرمة الحية باستخدام HRCT. كان ناجحا السفينة تعتمد على تدفق إعادة تعبئة المياه من الخلايا الحية المحيطة xylأجبرت قنوات م، حيث قطرات الماء الفردية توسعت مع مرور الوقت، والأوعية شغلها، وتفكك الغاز شرك. يتم حاليا قدرة النباتات المختلفة لإصلاح السفن للخطر والخشب آليات السيطرة على هذه الإصلاحات التي يجري التحقيق فيها. وصف للمرفق ALS Beamline 8.3.2 وقد أجريت عملنا حتى الآن على Beamline الصلب الصغرى، التصوير المقطعي بالأشعة السينية 8.3.2 في مصدر الضوء متقدمة في مختبر لورانس بيركلي الوطني (بيركلي CA USA). توضع العينات النباتية في قفص متر الرصاص مبطنة 20 يقع من مصدر الأشعة السينية، التي تم إنشاؤها بواسطة مغناطيس فائق التوصيل تسلا 6 منحنى ثنائي القطب في مصدر الضوء المتقدم التشغيل الإلكترون خاتم تخزين الطاقة الحرجة في قدرها 11.5 كيلو. ويرد التخطيطي لمحطة النهاية في الشكل 1. والأشعة السينية يدخل القفص مع حجم 40X شعاع من ~ 4.6 ملم وتمر من خلال العينة التي يتم تركيبه على آلية المرحلة الدورية. الالمنقولة الأشعة السينية تؤثر على ماض الكريستال (اثنان المواد المستخدمة شيوعا هي LuAG أو CdWO 4) التي تحول الأشعة السينية إلى الضوء المرئي التي يتم ترحيل عبر العدسات في الصعود إلى CCD لجمع الصور. وترد الكاميرا، وماض والبصريات في مربع ضيق الضوء الذي هو على القضبان التي تسمح ليكون الأمثل المسافة عينة إلى ماض للتصوير النقيض المرحلة. هي التي شنت جميع العينات على المسرح بقطر 10 سم الدوارة والتي بدورها هي التي شنت على مراحل الترجمة الأفقي والرأسي لتحديد المواقع العينة. ويمكن الاطلاع على عينة النباتية الحية، مع نظام الجذر التي تقام في بناء مصنع مخصص عاء حامل وأوراق الشجر الواردة في أنبوب الاكريليك، في الشكل 2. يمكن التعرض مرات نموذجية تتراوح 1-0،1 ثانية باستخدام 10-18 كيلو، وفترات الفحص وتتراوح 5-40 دقيقة اعتمادا على إعدادات الأمثل لعينة معينة. لعينات طويل القامة (نموذجي من الخشب المصنع الشبكات)، ويمكن مسح البيانات تكونمبلطة بتكرار القياس مع العينة على ارتفاعات مختلفة، والتي يتم التحكم تلقائيا، مما يتيح أقسام المسلسل سلس جنبا إلى جنب على ارتفاع الحد الأقصى لعينة 10 سم ~. أقصى عرض عينة عند التصوير في القرار ميكرومتر ~ 4.5 هو 1 سم للعينات التي هي مثالية تقريبا في اتجاه رأسي. اكتمال البيانات وتجهيز جيل باستخدام بروتوكول المذكورة أدناه. بسبب الفرق في توهين الأشعة السينية بين الهواء والماء، يمكن الحصول على تباين الصورة ممتازة في النباتات دون استخدام الحلول النموذجية النقيض من نظم CT الطبية. التجويف سفينة مليئة بالهواء يمكن تمييزها بسهولة من الأنسجة المحيطة مملوءة بالماء في النباتات المائية.

<table border="1">
 <tbody>
 <tr>
 <td>Material Name/Equipment </td>
 <td>Company</td>
 <td>Catalogue Number</td>
 <td>Comments (optional)</td>
 </tr>
 <tr>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td>See specifics listed above regarding equipment at the Advanced Light Source beamline 8.3.2</td>
 </tr>
 </tbody>
</table>

using high resolution computed tomography to visualize the three dimensional structure and function of plant vasculature

عالية الدقة الأشعة السينية التصوير المقطعي (HRCT) هو غير مدمرة تقنية التصوير التشخيصي مع القدرة على القرار شبه ميكرون التي يجري الآن استخدامها لتقييم بنية ووظيفة شبكة الخشب المصنع في ثلاثة أبعاد (3D) (على سبيل المثال برودرسن وآخرون . عام 2010؛ 2011؛ ​​2012a، ب). ويستند HRCT التصوير على نفس المبادئ نظم CT الطبية، ولكن النتائج ارتفاع كثافة السنكروترون مصدر الأشعة السينية في دقة أعلى المكانية وانخفض الصورة اكتساب الوقت. هنا، علينا أن نبرهن بالتفصيل كيف السنكروترون القائم الذي يتم استخدامه HRCT (أجريت في بيركلي المصدر، LBNL الضوء المتقدم، CA، الولايات المتحدة الأمريكية) بالاشتراك مع برنامج Avizo (VSG شركة، برلنغتون، MA، الولايات المتحدة الأمريكية) لاستكشاف الخشب المصنع في رفعه الأنسجة والنباتات الحية. هذه الأداة تتيح للمستخدمين تصوير جديدة لتجاوز التقليدية الخفيفة، ثابت 2D أو micrographs الإلكترون وعينات الدراسة باستخدام مقاطع مسلسل الظاهري في أي طائرة. عدد لا حصر له من شرائح في أي اتجاه جيتم إجراء على نفس العينة، وهي الميزة التي من المستحيل جسديا باستخدام أساليب المجهر التقليدية. النتائج تظهر التي يمكن تطبيقها على كل من HRCT العشبية والنباتات الخشبية، ومجموعة من أجهزة النبات (أوراق أي أعناق، وينبع، جذوع وجذور). الأرقام الواردة هنا مساعدة في توضيح كل مجموعة من النباتات التشريح ممثل الأوعية الدموية ونوع من التفاصيل المستخرجة من قواعد البيانات HRCT، بما في ذلك المسح الضوئي للساحل الخشب الأحمر (سيكويا sempervirens)، والجوز (جاجلانس النيابة.)، والبلوط (البلوط SPP)، والقيقب ( شتلات شجرة أيسر النيابة.) لعباد الشمس (هيليانثوث)، الكرمة (كرمة SPP)، والسراخس (Pteridium aquilinum والخملية Woodwardia). عينات رفعه وتجفيفها من الأنواع الخشبية هي أسهل لمسح وتسفر عادة أفضل الصور. ومع ذلك، فقد جعلت التحسينات الأخيرة (أي أكثر سرعة المسح الضوئي والاستقرار عينة) من POSSible لاستخدام هذه التقنية التصور على الأنسجة الخضراء (مثل أعناق) والنباتات الحية. في بعض الأحيان فإن بعض انكماش الأنسجة النباتية الخضراء رطب تسبب طمس الصور إلى وسائل لتجنب وصفها هذه القضايا. هذه التطورات الأخيرة مع HRCT تقديم رؤى جديدة واعدة في وظائف الاوعية الدموية النبات.

تم مسح Synchotron HRCT تنفيذها بنجاح على مجموعة واسعة من الأنسجة النباتية والأنواع باستخدام beamline 8.3.2 (الشكل 5)، وقدمت أفكارا جديدة في بنية ووظيفة الخشب المصنع في قرار لم يسبق له مثيل في 3D. قدرات التصور والتنقيب التي قدمتها اعادة البناء 3D (كما هو موضح في الأرقام 6-8...

Watch this Scientific Journal Video about Using High Resolution Computed Tomography to Visualize the Three Dimensional Structure and Function of Plant Vasculature at JoVE.com

استخدام التصوير المقطعي المحوسب عالي الدقة لتصور البنية ثلاثية الأبعاد ووظيفة الأوعية الدموية في النبات | الأحياء | فيديو

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

عالية الدقة الأشعة السينية التصوير المقطعي (HRCT) هو غير مدمرة تقنية التصوير التشخيصي التي يمكن استخدامها لدراسة بنية ووظيفة الأوعية الدموية النباتية في 3D. نحن لشرح كيفية HRCT يسهل استكشاف شبكات الخشب عبر مجموعة واسعة من الأنسجة النباتية والأنواع.

باستخدام التصوير المقطعي عالي الدقة لتصور البنية الثلاثية وظيفة الأوعية الدموية النباتية

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

using-high-resolution-computed-tomography-to-visualize-three

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Biology

Plant Biology

Plant Structure, Growth, and Nutrition

SCIENTISTS IN ACTION

20.9K Views.  U.S. Department of Agriculture. عالية الدقة الأشعة السينية التصوير المقطعي (HRCT) هو غير مدمرة تقنية التصوير التشخيصي التي يمكن استخدامها لدراسة بنية ووظيفة الأوعية الدموية النباتية في 3D. نحن لشرح كيفية HRCT يسهل استكشاف شبكات الخشب عبر مجموعة واسعة من الأنسجة النباتية والأنواع.

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

Hi-C: A Method to Study the Three-dimensional Architecture of Genomes.

The three-dimensional folding of chromosomes compartmentalizes the genome and and can bring distant functional elements, such as promoters and enhancers, into close spatial proximity 2-6. Deciphering the relationship between chromosome organization and genome activity will aid in understanding genomic processes, like transcription and replication. However, little is known about how chromosomes fold. Microscopy is unable to distinguish large numbers of loci simultaneously or at high resolution. To date, the detection of chromosomal interactions using chromosome conformation capture (3C) and its subsequent adaptations required the choice of a set of target loci, making genome-wide studies impossible 7-10.
We developed Hi-C, an extension of 3C that is capable of identifying long range interactions in an unbiased, genome-wide fashion. In Hi-C, cells are fixed with formaldehyde, causing interacting loci to be bound to one another by means of covalent DNA-protein cross-links. When the DNA is subsequently fragmented with a restriction enzyme, these loci remain linked. A biotinylated residue is incorporated as the 5' overhangs are filled in. Next, blunt-end ligation is performed under dilute conditions that favor ligation events between cross-linked DNA fragments. This results in a genome-wide library of ligation products, corresponding to pairs of fragments that were originally in close proximity to each other in the nucleus. Each ligation product is marked with biotin at the site of the junction. The library is sheared, and the junctions are pulled-down with streptavidin beads. The purified junctions can subsequently be analyzed using a high-throughput sequencer, resulting in a catalog of interacting fragments.
Direct analysis of the resulting contact matrix reveals numerous features of genomic organization, such as the presence of chromosome territories and the preferential association of small gene-rich chromosomes. Correlation analysis can be applied to the contact matrix, demonstrating that the human genome is segregated into two compartments: a less densely packed compartment containing open, accessible, and active chromatin and a more dense compartment containing closed, inaccessible, and inactive chromatin regions. Finally, ensemble analysis of the contact matrix, coupled with theoretical derivations and computational simulations, revealed that at the megabase scale Hi-C reveals features consistent with a fractal globule conformation.

The Hi-C method allows unbiased, genome-wide identification of chromatin interactions (1). Hi-C couples proximity ligation and massively parallel sequencing. The resulting data can be used to study genomic architecture at multiple scales: initial results identified features such as chromosome territories, segregation of open and closed chromatin, and chromatin structure at the megabase scale.

مرحبا - C : طريقة لدراسة الهندسة المعمارية ثلاثي الأبعاد للخريطة جينوم.

The three-dimensional folding of chromosomes compartmentalizes the genome and and can bring distant functional elements, such as promoters and enhancers, ...

Functional Reconstitution and Channel Activity Measurements of Purified Wildtype and Mutant CFTR Protein

The Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR) is a unique channel-forming member of the ATP Binding Cassette (ABC) superfamily of transporters. The phosphorylation and nucleotide dependent chloride channel activity of CFTR has been frequently studied in whole cell systems and as single channels in excised membrane patches. Many Cystic Fibrosis-causing mutations have been shown to alter this activity. While a small number of purification protocols have been published, a fast reconstitution method that retains channel activity and a suitable method for studying population channel activity in a purified system have been lacking. Here rapid methods are described for purification and functional reconstitution of the full-length CFTR protein into proteoliposomes of defined lipid composition that retains activity as a regulated halide channel. This reconstitution method together with a novel flux-based assay of channel activity is a suitable system for studying the population channel properties of wild type CFTR and the disease-causing mutants F508del- and G551D-CFTR. Specifically, the method has utility in studying the direct effects of phosphorylation, nucleotides and small molecules such as potentiators and inhibitors on CFTR channel activity. The methods are also amenable to the study of other membrane channels/transporters for anionic substrates.

Described here is a rapid and effective procedure for functional reconstitution of purified wild-type and mutant CFTR protein that preserves activity for this chloride channel, which is defective in Cystic Fibrosis. Iodide efflux from reconstituted proteoliposomes mediated by CFTR allows studies of channel activity and the effects of small molecules.

إعادة إعماره الوظيفية وآخر قناة قياسات تنقية Wildtype والمسخ CFTR البروتين

The Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR) is a unique channel-forming member of the ATP Binding Cassette (ABC) superfamily of ...

High Resolution Quantification of Crystalline Cellulose Accumulation in Arabidopsis Roots to Monitor Tissue-specific Cell Wall Modifications

Plant cells are surrounded by a cell wall, the composition of which determines their final size and shape. The cell wall is composed of a complex matrix containing polysaccharides that include cellulose microfibrils that form both crystalline structures and cellulose chains of amorphous organization. The orientation of the cellulose fibers and their concentrations dictate the mechanical properties of the cell. Several methods are used to determine the levels of crystalline cellulose, each bringing both advantages and limitations. Some can distinguish the proportion of crystalline regions within the total cellulose. However, they are limited to whole-organ analyses that are deficient in spatiotemporal information. Others relying on live imaging, are limited by the use of imprecise dyes. Here, we report a sensitive polarized light-based system for specific quantification of relative light retardance, representing crystalline cellulose accumulation in cross sections of Arabidopsis thaliana roots. In this method, the cellular resolution and anatomical data are maintained, enabling direct comparisons between the different tissues composing the growing root. This approach opens a new analytical dimension, shedding light on the link between cell wall composition, cellular behavior and whole-organ growth.

High Resolution Quantification of Crystalline Cellulose Accumulation in Arabidopsis Roots to Monitor Tissue-specific Cell Wall Modifications

Crystalline cellulose is an important constituent of the plant cell wall. However, its quantification at a cellular resolution is technically challenging. Here, we report the use of polarized light technology and root cross sections to obtain information of cell wall composition at a spatiotemporal resolution.

قرار الكمي عال من بلوري السليلوز تراكم في<em&gt; نبات الأرابيدوبسيس</em&gt; جذور لرصد الأنسجة محددة جدار الخلية تعديلات

Plant cells are surrounded by a cell wall, the composition of which determines their final size and shape. The cell wall is composed of a complex matrix ...

High-resolution Respirometry to Assess Mitochondrial Function in Permeabilized and Intact Cells

A high-resolution oxygraph is a device for measuring cellular oxygen consumption in a closed-chamber system with very high resolution and sensitivity in biological samples (intact and permeabilized cells, tissues or isolated mitochondria). The high-resolution oxygraph device is equipped with two chambers and uses polarographic oxygen sensors to measure oxygen concentration and calculate oxygen consumption within each chamber. Oxygen consumption rates are calculated using software and expressed as picomoles per second per number of cells. Each high-resolution oxygraph chamber contains a stopper with injection ports, which makes it ideal for substrate-uncoupler-inhibitor titrations or detergent titration protocols for determining effective and optimum concentrations for plasma membrane permeabilization. The technique can be applied to measure respiration in a wide range of cell types and also provides information on mitochondrial quality and integrity, and maximal mitochondrial respiratory electron transport system capacity.

High-resolution respirometry is used to determine mitochondrial oxygen consumption. This is a straightforward technique to determine mitochondrial respiratory chain complexes&#39; (I-IV) respiratory rates, maximal mitochondrial electron transport system capacity, and mitochondrial outer membrane integrity.

عالية الدقة قياس التنفس لتقييم وظيفة الميتوكوندريا في Permeabilized وخلايا سليمة

A high-resolution oxygraph is a device for measuring cellular oxygen consumption in a closed-chamber system with very high resolution and sensitivity in ...

High-resolution Respirometry to Measure Mitochondrial Function of Intact Beta Cells in the Presence of Natural Compounds

High-resolution respirometry allows for the measurement of oxygen consumption of isolated mitochondria, cells and tissues. Beta cells play a critical role in the body by controlling blood glucose levels through insulin secretion in response to elevated glucose concentrations. Insulin secretion is controlled by glucose metabolism and mitochondrial respiration. Therefore, measuring intact beta cell respiration is essential to be able to improve beta cell function as a treatment for diabetes. Using intact 832/13 INS-1 derived beta cells we can measure the effect of increasing glucose concentration on cellular respiration. This protocol allows us to measure beta cell respiration in the presence or absence of various compounds, allowing one to determine the effect of given compounds on intact cell respiration. Here we demonstrate the effect of two naturally occurring compounds, monomeric epicatechin and curcumin, on beta cell respiration under the presence of low (2.5 mM) or high glucose (16.7 mM) conditions. This technique can be used to determine the effect of various compounds on intact beta cell respiration in the presence of differing glucose concentrations.

The goal of this protocol is to measure the effect of glucose-mediated changes to mitochondrial respiration in the presence of natural compounds on intact 832/13 beta cells using high-resolution respirometry.

ريسبيروميتري عالية الدقة لقياس الوظيفة المتقدرية سليمة من خلايا بيتا حضور المركبات الطبيعية

High-resolution respirometry allows for the measurement of oxygen consumption of isolated mitochondria, cells and tissues. Beta cells play a critical role ...

Analysis of Beta-cell Function Using Single-cell Resolution Calcium Imaging in Zebrafish Islets

Pancreatic beta-cells respond to increasing blood glucose concentrations by secreting the hormone insulin. The dysfunction of beta-cells leads to hyperglycemia and severe, life-threatening consequences. Understanding how the beta-cells operate under physiological conditions and what genetic and environmental factors might cause their dysfunction could lead to better treatment options for diabetic patients. The ability to measure calcium levels in beta-cells serves as an important indicator of beta-cell function, as the influx of calcium ions triggers insulin release. Here we describe a protocol for monitoring the glucose-stimulated calcium influx in zebrafish beta-cells by using GCaMP6s, a genetically encoded sensor of calcium. The method allows monitoring the intracellular calcium dynamics with single-cell resolution in ex vivo mounted islets. The glucose-responsiveness of beta-cells within the same islet can be captured simultaneously under different glucose concentrations, which suggests the presence of functional heterogeneity among zebrafish beta-cells. Furthermore, the technique provides high temporal and spatial resolution, which reveals the oscillatory nature of the calcium influx upon glucose stimulation. Our approach opens the doors to use the zebrafish as a model to investigate the contribution of genetic and environmental factors to beta-cell function and dysfunction.

Beta-cell functionality is important for blood-glucose homeostasis, which is evaluated at single-cell resolution using a genetically encoded reporter for calcium influx.

تحليل وظيفة خلايا بيتا باستخدام تصوير الكالسيوم القرار خلية واحدة في الجزيرات الزرد

Pancreatic beta-cells respond to increasing blood glucose concentrations by secreting the hormone insulin. The dysfunction of beta-cells leads to ...

Single-Cell Resolution Three-Dimensional Imaging of Intact Organoids

Organoid technology, in vitro 3D culturing of miniature tissue, has opened a new experimental window for cellular processes that govern organ development and function as well as disease. Fluorescence microscopy has played a major role in characterizing their cellular composition in detail and demonstrating their similarity to the tissue they originate from. In this article, we present a comprehensive protocol for high-resolution 3D imaging of whole organoids upon immunofluorescent labeling. This method is widely applicable for imaging of organoids differing in origin, size and shape. Thus far we have applied the method to airway, colon, kidney, and liver organoids derived from healthy human tissue, as well as human breast tumor organoids and mouse mammary gland organoids. We use an optical clearing agent, FUnGI, which enables the acquisition of whole 3D organoids with the opportunity for single-cell quantification of markers. This three-day protocol from organoid harvesting to image analysis is optimized for 3D imaging using confocal microscopy.

The entire 3D structure and cellular content of organoids, as well as their phenotypic resemblance to the original tissue can be captured using the single-cell resolution 3D imaging protocol described here. This protocol can be applied to a wide range of organoids varying in origin, size and shape.

وحيد الخلية القرار التصوير ثلاثي الأبعاد من organoids سليمة

Organoid technology, in vitro 3D culturing of miniature tissue, has opened a new experimental window for cellular processes that govern organ development ...

Assessment of Global Ocular Structure Following Spaceflight Using a Micro-Computed Tomography (Micro-CT) Imaging Method

Reports show that prolonged exposure to a spaceflight environment produces morphologic and functional ophthalmic changes in astronauts during and after an International Space Station (ISS) mission. However, the underlying mechanisms of these spaceflight-induced changes are currently unknown. The purpose of the present study was to determine the impact of the spaceflight environment on ocular structures by evaluating the thickness of the mouse retina, the retinal pigment epithelium (RPE), the choroid and the sclera layer using micro-CT imaging. Ten-week-old C57BL/6 male mice were housed aboard the ISS for a 35-day mission and then returned to Earth alive for tissue analysis. For comparison, ground control (GC) mice on Earth were maintained in identical environmental conditions and hardware. Ocular tissue samples were collected for micro-CT analysis within 38(&#177;4) hours after splashdown. The images of the cross-section of the retina, the RPE, the choroid, and the sclera layer of the fixed eye was recorded in an axial and sagittal view using a micro-CT imaging acquisition method. The micro-CT analysis showed that the cross-section areas of the retina, RPE, and choroid layer thickness were changed in spaceflight samples compared to GC, with spaceflight samples showing significantly thinner cross-sections and layers compared to controls. The findings from this study indicate that micro-CT evaluation is a sensitive and reliable method to characterize ocular structure changes. These results are expected to improve the understanding of the impact of environmental stress on global ocular structures.

Assessment of Global Ocular Structure Following Spaceflight Using a Micro-Computed Tomography Micro-CT Imaging Method

We present a protocol using high-resolution micro-computed tomography imaging to determine whether spaceflight induced damage on ocular structures. The protocol shows the micro-CT-derived measurement of ex vivo rodent ocular structures. We demonstrate the ability to assess ocular morphological changes following spaceflight using a non-destructive tridimensional technique to evaluate ocular damage.

تقييم الهيكل العالمي للرّيّة بعد الرحلات الفضائية باستخدام طريقة التصوير المقطعي المحوسبة الدقيقة (الدقيقة CT)

Reports show that prolonged exposure to a spaceflight environment produces morphologic and functional ophthalmic changes in astronauts during and after an ...

Neutron Radiography and Computed Tomography of Biological Systems at the Oak Ridge National Laboratory's High Flux Isotope Reactor

Neutrons have historically been used for a broad range of biological applications employing techniques such as small-angle neutron scattering, neutron spin echo, diffraction, and inelastic scattering. Unlike neutron scattering techniques that obtain information in reciprocal space, attenuation-based neutron imaging measures a signal in real space that is resolved on the order of tens of micrometers. The principle of neutron imaging follows the Beer-Lambert law and is based on the measurement of the bulk neutron attenuation through a sample. Greater attenuation is exhibited by some light elements (most notably, hydrogen), which are major components of biological samples. Contrast agents such as deuterium, gadolinium, or lithium compounds can be used to enhance contrast in a similar fashion as it is done in medical imaging, including techniques such as optical imaging, magnetic resonance imaging, X-ray, and positron emission tomography. For biological systems, neutron radiography and computed tomography have increasingly been used to investigate the complexity of the underground plant root network, its interaction with soils, and the dynamics of water flux in situ. Moreover, efforts to understand contrast details in animal samples, such as soft tissues and bones, have been explored. This manuscript focuses on the advances in neutron bioimaging such as sample preparation, instrumentation, data acquisition strategy, and data analysis using the High Flux Isotope Reactor CG-1D neutron imaging beamline. The aforementioned capabilities will be illustrated using a selection of examples in plant physiology&#160;(herbaceous plant/root/soil system)&#160;and biomedical applications&#160;(rat femur and mouse lung).

Neutron Radiography and Computed Tomography of Biological Systems at the Oak Ridge National Laboratory&#039;s High Flux Isotope Reactor

This manuscript describes a protocol for neutron radiography and computed tomography of biological samples using a High Flux Isotope Reactor (HFIR) CG-1D beamline to measure a metal implant in a rat femur, a mouse lung, and an herbaceous plant root/soil system.

التصوير الشعاعي النيوتروني والتصوير المقطعي المحوسب للأنظمة البيولوجية في مفاعل النظائر عالي التدفق التابع لمختبر أوك ريدج الوطني

Neutrons have historically been used for a broad range of biological applications employing techniques such as small-angle neutron scattering, neutron ...

Construction of a Realistic, Whole-Body, Three-Dimensional Equine Skeletal Model using Computed Tomography Data

Therapies based upon whole-body biomechanical assessments are successful for injury prevention and rehabilitation in human athletes. Similar approaches have rarely been used to study equine athletic injury. Degenerative osteoarthritis caused by mechanical stress can originate from chronic postural dysfunction, which, because the primary dysfunction is often distant from the site of tissue injury, is best identified through modeling whole-body biomechanics. To characterize whole-body equine kinematics, a realistic skeletal model of a horse was created from equine computed tomography (CT) data that can be used for functional anatomical and biomechanical modeling. Equine CT data were reconstructed into individual three-dimensional (3D) data sets (i.e., bones) using 3D visualization software and assembled into a complete 3D skeletal model. The model was then rigged and animated using 3D animation and modeling software. The resulting 3D skeletal model can be used to characterize equine postures associated with degenerative tissue changes as well as to identify postures that reduce mechanical stress at the sites of tissue injury. In addition, when animated into 4D, the model can be used to demonstrate unhealthy and healthy skeletal movements and can be used to develop preventative and rehabilitative individualized therapies for horses with degenerative lamenesses. Although the model will soon be available for download, it is currently in a format that requires access to the 3D animation and modeling software, which has quite a learning curve for new users. This protocol will guide users in (1) developing such a model for any organism of interest and (2) using this specific equine model for their own research questions.

The purpose of this protocol is to describe the method of creation of a realistic, whole-body, skeletal model of a horse that can be used for functional anatomical and biomechanical modeling to characterize whole-body mechanics.

بناء نموذج هيكلي واقعي للخيول كامل الجسم ثلاثي الأبعاد باستخدام بيانات التصوير المقطعي المحوسب

Therapies based upon whole-body biomechanical assessments are successful for injury prevention and rehabilitation in human athletes. Similar approaches ...