Die Autoren bedanken sich bei S Castorani, AJ Eustis, GA Gambetta, CM Manuck, Z Nasafi und A Zedan danken. Diese Arbeit wurde gefördert durch: das US Department of Agriculture-Agricultural Research Service Current Research Information System Finanzierung (Forschungsprojekt Nr. 5306-21220-004-00; Der Advanced Light Source wird von dem Direktor, Office of Science, Office of Basic unterstützt. Energy Sciences des US Department of Energy unter Vertrag Nr. DE-AC02-05CH11231);. und NIFA Sonderkulturen Forschungsinitiative Zuschuss zu AJM.

Protokoll Details beschrieben wurden speziell für die Arbeit an der Advanced Light Source 8.3.2 Beamline geschrieben. Anpassungen können für die Arbeit an anderen Synchrotron-Anlagen erforderlich sein. Proper Sicherheit und Strahlenschutz Ausbildung ist für den Einsatz dieser Einrichtungen erforderlich. Ein. Probenvorbereitung für lebende Pflanzen <ol><li> Pflanzen wachsen in ~ 10 cm Durchmesser Töpfe, und sicherzustellen, dass der Haupttrieb (oder eines Teils der Pflanze zu scannenden) wie sie möglichst senkrecht ausgerichtet und im Topf zentriert. Die physikalischen Abmessungen der HRCT Instrument hutch an der Advanced Light Source Grenzen lebende Pflanzen zu ~ 1 m in der Höhe. Als Folge davon wird Bildgebung von lebenden Pflanzen am besten auf Sämlinge / Schösslinge in kleinen Töpfen gezogen durchgeführt. Je nach Experiment verschiedenen Bodentypen kann verwendet werden, um Feuchtigkeitsgehalt des Bodens (zB in der Dürre Experimente) zu steuern, und für einige Pflanzen mit flexiblen Triebe (zB Wein) mehr Triebe sorgfältig tucked in die Acryl-Röhre unten beschrieben (siehe Abbildungen 1 und 2). </li><li> Montieren Sie die Live-Topfpflanzen in einem maßgeschneiderten steife Aluminium-Topf-Halter. Die obere Platte höhenverstellbar, um eine Reihe von in Töpfen Höhen aufzunehmen. Die Oberseite der Platte ausgebildet ist, um mit der Oberseite der Bodenfläche, und der Pflanze steht von der Mitte der zweiteilige Platte auszurichten. Der Zweck der Übertopf soll sichergestellt die Pflanze Vorbau fest in Position gehalten wird, um Vibrationen oder Bewegungen Probe zu minimieren. Minimierung Probe Bewegung während einer Abtastung ist wesentlich. </li><li> Sobald in dem Halter montiert ist, messen den Schaft Wasserpotential oder Blatt mit einer Transpiration Scholander Stil Druckkammer oder einen Clip-Porometer auf Blatt jeweils um den physiologischen Zustand der Anlage vor dem Abtasten bestimmen. </li><li> Legen Sie eine dünnwandige Acrylzylinder über die Anlage und auf der Oberseite des Aluminiumwerk Halter und befestigen Sie sie mit Lehm putty zur Stabilisierung derProbe (Abbildung 2). Jede Vibration oder Bewegung des oberen Laub wird hinunter die Stammzellen übertragen und verursachen das Pflanzengewebe im gescannten Bereich zu bewegen, was letztendlich zu Bildverzerrungen. Der Zylinder wird verwendet, um Pflanzenblätter enthalten und verhindern Pflanzenblättern durch Reiben gegen andere Teile der Ausrüstung in den Stall, die in Schwingungen während eines Scans führen würde. Zusätzliche Plastikfolie, Papierhandtücher, und das Klebeband sollten zur weiteren Minimierung Vibration und Bewegung von Pflanzenteilen (siehe Probleme mit Probenbewegung in Abbildung 4) zugeordnet werden. Um seine x-ray absorption (was die Bildqualität bei einer bestimmten Belichtungszeit zu verringern) zu reduzieren, sollte das mit Zylinder als dünne Wände wie möglich, während eine ausreichende Steifigkeit, um seine Funktion zu erfüllen. </li><li> Bringen Sie die benutzerdefinierte Topflappen mit dem Luftlager Bühne und verriegeln Sie ihn (Schraube) in zwischen der Röntgenquelle und dem bildgebenden Sensor und Kamera-Ausrüstung. Positiauf dem Schaft möglichst senkrecht und in der Mitte auf Magnetspannplatte Base, um sicherzustellen, dass die Probe bleibt im Blickfeld während der Drehung. </li></ol> 2. Probenvorbereitung für die Frische, Herausgeschnittene Pflanzengewebekultur <ol><li> Frisches Pflanzenmaterial, typischerweise Stängel oder Blattstiele, kann nach sofortige Entfernung von einer Live-Anlage gescannt werden. Wenn die Absicht des Experiments ist es, die Gesamtheit des Xylem Netzwerk, Wasser innerhalb der Gefäße zu visualisieren muß evakuiert und ersetzt werden mit Luft. Dazu montieren Sie die Probe in einem Scholander Stil Druckkammer und drücken Sie Druckluft oder Stickstoff durch die Probe bei niedrigem Druck (&lt;0,05 MPa) für ca. 5 min. Arten werden in der Zeit benötigt, um das Schiff zu evakuieren Netzwerk unterscheiden. Wenn beabsichtigt ist, den Umfang der Embolie-Bildung in der frischen Pflanze Gewebe, dann verbrauchsteuerpflichtigen Proben aus der Pflanze unter Verwendung eines frischen Rasierklinge auszuwerten und die Schnitte unter Wasser. </li><li> Wickeln Sie die Probe in einer Schicht aus Parafilm prBei Austrocknung während des Scans. </li><li> Montieren der Probe in einem Drill-Spannfutter befestigt an einer Metallplatte, die in der Luftlageroberfläche Stufe verschraubt ist. Zentrum und Orientierung der Probe vertikal, wie oben, um die Probe zu gewährleisten beschrieben verbleibt im Sichtfeld. </li></ol> 3. Probenvorbereitung für Getrocknete Woody Tissues <ol><li> Für eine optimale Gewebeprobe Visualisierung und Bildkontrast, ist es notwendig, die gesamte langsam dehydratisieren holzigen Gewebeprobe. Geschnitten Proben auf etwa 6 cm in der Länge. Proben auswählen, die so gerade wie möglich in der gezielten Abtastregion sind und einen Durchmesser von ≤ 1 cm. </li><li> Legen Sie die holzigen Gewebeprobe in einem Trockenschrank bei niedriger Temperatur langsam trocknen die Probe ohne dass Risse oder Spalten des Gewebes. Dieser Prozess dürfte sich zwischen verschiedenen Arten und Gewebe unterscheiden. Für holzigen Stielen, beträgt 12 Stunden in einem 40 ° C Ofen typischerweise ausreichend, um hervorragenden Kontrast, ohne bedeutende cha bereitzustellennges in der physikalischen Struktur des Stiels (siehe Probleme mit schneller Trocknung in 3 gezeigt). </li><li> In manchen Situationen ist es wünschenswert, eine treuhänderische Marker in der Probe, so dass nachfolgende Dissektion und Visualisierung mit Rasterelektronenmikroskopie ausgerichtet werden kann, um bestimmte Punkte in der HRCT Bild haben. Dazu bringt ein Metall oder Glasperlen oder ein Draht auf die Außenseite des Schaftes mit Parafilm. Eine andere Methode ist es, ein Silikonharz (zB RTV-141, Bluestar Silicones, East Brunswick, NJ), die in einem einzigen Xylem Leitung eingespritzt werden kann (siehe Beispiele in Brodersen et al 2010). Verwenden Nach Aushärtung ist der Siliconharz deutlich sichtbar in der Probe und von den anderen leicht luftgefüllten Gefäßen unterscheiden. Verwenden Sie diese Markierung, um genau zu lokalisieren bestimmten Regionen der Probe. </li><li> Montieren Sie die Probe in das Bohrfutter und in der Mitte, wie oben beschrieben. </li></ol> 4. Probenvorbereitung für Leaf Tissue für zweidimensionale (2D) Röntgenbilder <ol><li> Um Gefäßinhalts in Blättern in der Nähe von echtzeitkritischen visualisieren, kann Blätter abgetastet, um eine 2D Radiogramms, ähnlich einem Dental-Röntgensensor zu erzeugen. Montieren Sie das Blatt zwischen zwei Platten aus dünnen Acryl-Kunststoff, und sichern Sie die Kanten mit Clips. Dann befestigen Sie den montierten Probe zu einer post-Halterung und positionieren Sie den optischen breadboard neben dem Imaging-System und Röntgenquelle. </li></ol> 5. Abtasten der Probe in der 8.3.2 Hutch <ol><li> Entscheiden Sie die Vergrößerung, die am besten für Ihre Anwendung funktioniert. ALS Beamline 8.3.2 hat die Fähigkeit, mit Objektiven mit Vergrößerungen von 2x, 5x und 10x scannen. Diese resultieren in Bildpixel Größen von 4,5, 2,25 und 0,9 &amp;mgr; m. Je nach Vergrößerung, muß die Probe der geeigneten Größe sein, wie das Sichtfeld nimmt mit zunehmender Vergrößerung. Details zur Wahl der Kamera und das Objektiv und die daraus resultierenden Bildparameter in Tabelle 1.</li></ol><table border="1"><tbody><tr><td></td><td colspan="2"> PCO.4000 (4008x2672) </td><td colspan="2"> Pco.edge (2560x2160) (Optique Peter) </td></tr><tr><td> Objektiv </td><td> Pixel (um) </td><td> Sichtfeld (mm) </td><td> Pixel (um) </td><td> Sichtfeld (mm) </td></tr><tr><td> 10x </td><td> 0,9 </td><td> 3,6 </td><td> 0.65 (0.69) </td><td> 1.7 (1.7) </td></tr><tr><td> 5x (4x) </td><td> 1,8 </td><td> 7,2 </td><td> 1.3 (1.72) </td><td> 3.3 (4.4) </td></tr><tr><td> 2x </td><td> 4,5 </td><td> 18 </td><td> 3.25 (3.44) </td><td> 8.3 (8.8) </td></tr><tr><td> 1x </td><td> 9 </td><td> 36 </td><td> 6.5 (-) </td><td> 16,6 (-) </td></tr></tbody></table> Tabelle 1. Details zur VerfügungKameras und Objektive bei ALS 8.3.2. <ol start="2"><li> Stellen Sie die Röntgenenergie bis 15 keV. Dies hat sich gezeigt, dass hervorragende Bildkontrast für die meisten Anwendungen bereitzustellen Pflanze (siehe Brodersen et al. 2010, 2011, 2012a, b). Belichtungszeiten sind in der Regel abhängig von der Dicke und Dichte der Probe (und damit die Vergrößerung verwendet) zwischen 100 und 1000 msec. Längeren Belichtungszeiten (solange Detektorpixel nicht gesättigt) wird in der Regel zu höheren Signal-Rausch-Verhältnis führen, aber auf Kosten einer erhöhten Zykluszeiten. </li><li> Wählen Sie eine Winkelinkrement, die für Ihre Anwendung geeignet ist. Die Proben werden um 180 ° gedreht während eines Scans, und die Anzahl der Bilder, die während der Rotation genommen werden einen erheblichen Einfluss auf Größe des Datensatzes, die Länge der Scan-Intervall und die endgültige Bildqualität haben, aber es sind in der Regel abnehmende Qualität. Typische Scans werden bei 0,25 °-Schritten durchgeführt, wobei 721 Bildern pro Scan. Verringerung der inkret bis 0,125 ° ergibt sich eine bessere Bilder zu visualisieren feine Details, sondern Ausbeuten 1440 Bilder und dadurch eine wesentlich größere Datenmenge (bei einem typischen Bereich von Interesse, so bedeutet dies ~ 10-30 GB Daten gegenüber 5 GB). Jedoch wird das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert und oft wert erhöht sowohl die Zykluszeit und Datengröße. Dry Stämme, die wahrscheinlich zu verformen / während eines Scans schrumpfen werden können längere Intervalle (kleinere Winkelinkrement) ohne Beeinträchtigung unterzogen werden. Beim Abbilden lebende Pflanzen, in denen die biologische Prozesse (zB Embolie Reparatur) erfolgen auf kürzeren Zeitskalen, die sich für die kürzere Abtastintervalle ist bevorzugt, potentielle Wirkung der Röntgenstrahlung auf diesem begrenzen gewebespezifischen obwohl dies kommt zu einem potentiellen Verlust von Bildqualität. Kürzere Abtastintervalle geschieht mit dem Continuous-Tomographie Einstellung während der die Probe kontinuierlich rotiert, während die Bilder aufgenommen werden. </li><li> Für jeden Scan muss &quot;Hellfeld&quot; und &quot;Dunkelfeld&quot; Bilder sein corrected. Hellfeld Bilder sind Bilder ohne die Probe in dem Strahl. Diese werden häufig vor und nach der Abtastung der Probe durch horizontales Umsetzen der Probe gesammelt. Dunkle Felder werden durch Schließen des x-ray gesammelt Auslöser dieser gemessene den Anteil des Signals zeigt die Kamera ohne Röntgenstrahlen. </li></ol> 6. Data Processing <ol><li> Übertragen die &quot;rohen&quot; 2D. TIF-Bilder, die aus dem Erwerb Computer an einen Dateiserver ausgeführt wurden, an eine Datenverarbeitungsanlage Computer. Wenn der Computer eine ausreichende RAM, können die Daten in einer sogenannten &quot;RAM-Laufwerk&quot; (ein Teil des RAM erscheint als eine Festplatte des Computers) kopiert werden. Auf diese Weise die Software nicht haben, um eine rotierende Festplatte, die vergleichsweise langsam ist im Vergleich zu einem Solid State Drive oder Flash-Speicher zugreifen. Dieser Schritt verringert die Menge an Zeit erforderlich, um Datensätze zu verarbeiten. </li><li> Die Bilder müssen auf eine prozentuale Durchlässigkeit Skala umgewandelt werden. Beamline 8.3.2 hat eine eigene background Normalisierung Plug-in, können heruntergeladen und mit dem frei verfügbaren Software-Pakete ImageJ oder Fidschi (verwendet werden <a href="http://fiji.sc/" target="_blank">http://fiji.sc/</a> ). Es zieht die dunklen Grafen von den Bildern und normalisiert die Beispielbilder von den hellen Bereichen Bilder, die prozentuale Durchlässigkeit zeigen, ergeben. Legen normalisierten Bilder in die Octopus-Software-Paket ( <a href="http://www.inct.be/en/software/octopus" target="_blank">http://www.inct.be/en/software/octopus</a> ) und &quot;rekonstruieren&quot; die 3D-Datensatz aus den 2D roh. TIF-Dateien mit den vorgesehenen Bearbeitungsschritte (Normalisieren Bilder, Ring entfernt , Sinogramm Schöpfung, Parallelstrahl Rekonstruktion). Dieser Prozess ergibt dann eine Reihe von. TIF transversalen (Querschnitt) Bilder von &quot;Voxel&quot; (volumetrische Pixelelemente), jede mit einem x, y, z-Koordinatenwerte und Intensitätswerte repräsentiert die x-ray linearen Absorptionskoeffizienten zusammensetzt. </li></ol> 7. Visualisierung <ol><li> Visualisierungze den Stapel von Bildern in einer von einer Vielzahl von Software-Pakete. Freeware (zB Drishti, <a href="http://anusf.anu.edu.au/Vizlab/drishti/index.shtml" target="_blank">http://anusf.anu.edu.au/Vizlab/drishti/index.shtml</a> ) kann zum Volumen oder einzelne oder Stapel von Bildern (zB ImageJ oder FIJI) zu visualisieren. Andere Softwarepakete können für 3D-Visualisierung verwendet werden. Unsere Arbeitsgruppe nutzt die Avizo Softwarepaket ( <a href="http://www.vsg3d.com/avizo/overview" target="_blank">http://www.vsg3d.com/avizo/overview</a> ), aber andere wie Amira ( <a href="http://www.amira.com/ " target="_blank">http://www.amira.com/</a> ) und VGStudioMax ( <a href="http://www.volumegraphics.com/" target="_blank">http://www. volumegraphics.com /</a> ) werden ebenfalls häufig verwendet. </li><li> Legen Sie Datensätze in den Speicher und zeigt die Probe in virtuellen Quer-, Längs oder radiale Scheibe Orientierungen. Aufgrund der 3D-Attribute des Datensatzes, virtuelle Schnitte durch das sample gedreht werden kann in jeder Ebene, mit den Regionen von Interesse, eine deutliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen seriellen Lichtmikroskopie (siehe Filme 1-3 für detaillierte Beispiele) auszurichten. </li><li> Um das Beispiel zu visualisieren, wie in 3D benötigt werden, &quot;Segment&quot; der Probe mit der Vielzahl von semi-automatischen und manuellen Routinen in Avizo zum Gefäßlumen oder anderen Strukturen aus dem umgebenden Gewebe zu trennen. Segmentierung bezeichnet, die Begrenzungen zwischen den Objekten von Interesse, wodurch Trennen oder Segmentieren sie in getrennten Bereichen. Rendering Volumen in 3D wird durch die Visualisierungs-Software durchgeführt. Eine Methode, dies zu tun ist die direkte Volumendarstellung, wobei jeder Punkt in einem Volumen angenommen emittieren und absorbieren Licht ist, die Menge und Farbe der Emission und Absorption definiert unter Verwendung eines &quot;Farbzuordnung&quot; und die resultierende Projektion in einer vorgegebenen Richtung ist auf dem Bildschirm angezeigt. Alternativ wird ein Drahtgitter-oder 3D-Mesh-Oberfläche, die die segmentierte Grenzen konstruiert, um ein 3D-Modell t zeigen,Er Struktur von Interesse. Die 3D-Netz wird von polygonalen Elementen zusammengesetzt ist, und die Gesamtzahl der Elemente wird sowohl die Genauigkeit der Reproduktion Struktur und der Größe der zugehörigen Datendatei (dh mehr Elementen führt zu einer höheren Genauigkeit, aber größer Dateigröße) beeinflussen. Eine Vielzahl von Bildverarbeitungsmodulen sind innerhalb der Visualisierungs-Software verfügbar, um die Volume-Rendering-Ausgänge sowie Steuerung für Bildhelligkeit, den Kontrast, Transparenz, Rauschunterdrückung, etc. zu kontrollieren </li></ol> 8. Quantifizierung <ol><li> Sobald Segmentierung erreicht worden ist, es möglich ist, die Zielpflanze Strukturen oder funktionelle Veränderungen im Volumen, Länge, Breite, Gegenwart oder Abwesenheit von Wasser, Luft, etc. Beispielsweise quantifizieren, Brodersen et al. (2010) Avizo Software verwendet, um zu quantifizieren die Volumenänderung von Wassertröpfchen innerhalb Weinrebe Nachfüllen Gefäße. Die Pflanzen wurden alle 30 Minuten über vier bis acht Stunden Erzeugen einer Zeit-la gescanntpse-Sequenz des Schiffes Nachfüllen. Jeder Scan wurde rekonstruiert und in Avizo, wo einzelne Tröpfchen über die Zeit gemessen wurden als ihr Volumen vergrößert geladen. </li></ol>

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Wir haben nichts zu offenbaren.

Synchotron HRCT bietet Pflanzenbiologen mit einem starken, nicht-destruktive Werkzeug, um das Innenleben der Anlage Gefäßsystem in unglaublichen Details zu erforschen. Diese Konnektivität drastisch verändern kann die Fähigkeit der vaskulären Krankheitserreger und Embolien zu verbreiten - Diese Technologie wurde vor kurzem um bisher nicht beschriebene anatomischen Strukturen in grapevine Xylem, die unterschiedlich verändern Xylem Netzwerkverbindung in verschiedenen Weinspezies (. Brodersen et al ...

Ein Netzwerk von miteinander verbundenen Leitungen, Fasern und Wohnen, metabolisch aktiven Zellen - Wasser wird aus pflanzlichen Wurzeln bis zu den Blättern in einer vaskulären Gewebe genannt Xylem transportiert. Transportfunktion pflanzlichen Xylem muß beibehalten werden, um Nährstoffe und Wasser, um Blätter für die Photosynthese, Wachstum, Überleben und letztlich zu liefern. Wassertransport in Xylem Leitungen können unterbrochen, wenn das Xylem Netzwerk durch pathogene Organismen beeinträchtigt wird. In Reaktion auf eine solche Infektionen Pflanzen produzieren häufig Gele, Zahnfleisch und Tylosen als Mittel zur Pathogenverbreitung Isolat (z. B. McElrone et al 2008; 2010). Trockenstress können auch einschränken, Wassertransport in Xylem. Wie Pflanzen Wasser verlieren bei längerer Trockenheit, baut Spannung in den Xylemsaft. Wasser unter Spannung metastabil ist (dh an einer bestimmten Schwelle die Spannung groß genug ist, wird Wasser Spalten in Xylem Leitungen enthaltenen kavitieren). Nach Kavitation auftritt, kann eine Gasblase (Embolie) bilden und füllen Sie die conduit, effektiv blockieren Bewegung des Wassers (Tyree und Sperry 1989), ein Phänomen, das analog zu Dekompressionskrankheit (dh &quot;die Kurven&quot;) in Tiefseetaucher. Trotz der Bedeutung der Xylem Wassertransport für optimales Pflanzenwachstum Funktion als von einem riesigen Körper der historischen und zeitgenössischen Literatur zu diesem Thema (Tyree &amp; Zimmermann, 2002.; Holbrook et al, 2005) gezeigt hat, gibt es immer noch Aspekte der Xylem Netzwerke, die noch nicht greifbar . Mehrere Arbeitsgruppen haben vor kurzem damit begonnen mit Hilfe von High Resolution Röntgen-Computertomografie Mikro-Tomographie (HRCT), um feinere Details Holzanatomie und vaskulären Gewebe (z. B. Mayo et al bewerten; 2010, 2008; Mannes et al 2010;. Brodersen et al 2010. , 2011, 2012a, b; Maeda und Miyake, 2009; Steppe et al 2004).. HRCT ist eine zerstörungsfreie Technik verwendet, um Merkmale in dem Inneren von festen Objekten visualisieren und um digitale Informationen über ihre 3-D-strukturellen Eigenschaften zu erhalten. HRCTunterscheidet sich von herkömmlichen medizinischen CAT-Abtastung in seiner Fähigkeit, Informationen so klein wie ein Mikrometer Größe lösen, selbst für Objekte hoher Dichte. Jüngste Fortschritte in der Technologie haben Synchrotron HRCT Bildauflösung und Signal-Rausch-Verhältnis verbessert, so dass ausreichend Pflanze Gefäß Netzwerke und Gefäßtüpfeln Verbindungen visualisiert werden kann, zugeordnet 3D Koordinaten und exportiert für hydraulische Modellsimulationen. Brodersen et al. (2011) kürzlich erweiterte diese Technik durch die Kombination von 3D-Rekonstruktionen von Synchrotronstrahlung HRCT mit einem Fortran-Modell wird automatisch extrahiert Daten aus dem Xylem Netzwerk wesentlich höhere Auflösung als jemals mit traditionellen anatomischen Methoden (zB serielle Schnitte mit einem Mikrotom möglich erzeugt und Bilderfassung mit Lichtmikroskopie, z. B. Zimmermann 1971). Diese Arbeit wurde auch verwendet, um Hydraulik-Modelle des Systems zu optimieren und Xylem identifizierten einzigartigen Eigenschaften des Verkehrs (dh in gewisser Rücklauf vessels in Spitzenzeiten Transpiration) (Lee et al., in review). Synchrotron HRCT kann nun verwendet werden, um Xylem Funktionalität, die Anfälligkeit für Kavitation, und ein Pflanzen die Fähigkeit, die embolisiert Leitungen reparieren zu visualisieren. Failure wieder herzustellen Strömung in embolisiert Leitungen reduziert hydraulische Kapazität, Grenzen Photosynthese, und die Ergebnisse in Absterben der Pflanze im Extremfall (McDowell et al. 2008). Pflanzen können mit Embolien durch die Umleitung Wasser um Blockaden über Gruben, die benachbarte funktionelle Leitungen und durch die wachsende neue Xylem verloren hydraulische Kapazität ersetzen bewältigen. Einige Pflanzen besitzen die Fähigkeit, Brüche in der Wassersäule zu reparieren, aber die Details dieses Prozesses im Xylem unter Spannung geblieben unklar Jahrzehnten. Brodersen et al. (2010) kürzlich visualisiert und quantifiziert die Nachfüllen im Live-Reben mit HRCT. Erfolgreiche Schiffes Nachfüllen war abhängig von Wasserzutritt aus lebenden Zellen rund um die xylem Leitungen, wo einzelne Wassertropfen im Laufe der Zeit erweitert, gefüllten Gefäße, und zwang die Auflösung des eingeschlossenen Gases. Die Kapazität der verschiedenen Pflanzen kompromittiert Xylemgefäße und die Mechanismen, die diese Reparaturen repariert werden derzeit untersucht. Beschreibung der ALS Anlage Beamline 8.3.2 Unsere bisherigen Arbeiten auf dem Hard X-ray Micro-Tomographie Beamline 8.3.2 wurden an der Advanced Light Source in Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley CA USA) durchgeführt. Pflanze Proben werden in einem verbleiten hutch sich 20 m von der Röntgenquelle, durch einen 6 Tesla supraleitenden Magneten Dipol Biegung innerhalb der Advanced Light Source Elektronenspeicherring der bei einer kritischen Energie von 11,5 KeV erzeugt platziert. Eine schematische Darstellung des Endstations ist in Abbildung 1 gezeigt. Die Röntgenstrahlen geben den Stall mit einem Strahl Größe 40x ~ 4,6 mm und durch die Probe, die auf einem motorisierten Drehtisch montiert ist. Dieübertragenen Röntgenstrahlen auf einen Kristall Szintillator (zwei Materialien häufigsten verwendeten sind LuAG oder CdWO 4), die Röntgenstrahlen in sichtbares Licht, das über Linsen auf eine CCD für Bildsammelvorrichtung weitergeleitet wird umzuwandeln auftreffen. Die Kamera, Szintillator und Optik in einer lichtdichten Box, die auf Schienen, die die Probe-zu-Szintillator Entfernung um Phasenkontrast-Abbildung optimiert werden kann ist enthalten. Alle Proben werden nach dem 10 cm Durchmesser Drehtisch, der wiederum auf horizontale und vertikale Translation Stufen zur Positionierung der Probe angebracht ist. Eine lebende Pflanze Probe, mit der Wurzel in einem speziell angefertigten Blumentopf Halter und das Laub in einer Acryl-Röhre enthaltenen montiert ist, kann in Abbildung 2 zu sehen. Typische Belichtungszeiten von 0,1 bis 1 sec mit 10-18 keV und Scan Dauern wird von 5-40 min je nach den Einstellungen für eine bestimmte Probe optimiert reichen. Für große Proben (typisch pflanzlichen Xylem Netze) können Daten-Scans werdengefliesten durch Wiederholung der Messung an der Probe in unterschiedlichen Höhen, die automatisch gesteuert wird, so dass nahtlose serielle Schnitte entlang einer maximalen Probenhöhe von ~ 10 cm. Maximale Probenbreite bei der Bildgebung bei 4,5 mm Auflösung ~ 1 cm für Proben, die nahezu perfekt in vertikaler Ausrichtung sind, ist. Datengenerierung und-Verarbeitung abgeschlossen ist mit dem Protokoll aufgelistet. Wegen des Unterschiedes in der Röntgen-Dämpfung zwischen Luft und Wasser, kann ausgezeichnete Bildkontrast in Pflanzen ohne den Einsatz von Kontrastmitteln, die typisch für medizinische CT-Systeme erhalten werden. Die luftgefüllten Gefäßlumen ist leicht von dem umgebenden Wasser gefüllten Gewebes in hydratisierter Pflanzen.

<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

Hochauflösende Röntgen-Computertomographie (HRCT) ist eine nicht-destruktive diagnostischen Bildgebung mit sub-Mikrometer-Auflösungsvermögen, die jetzt verwendet wird, um die Struktur und Funktion pflanzlicher Xylem Netzwerk in drei Dimensionen (3D) zu bewerten (z. B. Brodersen et al . 2010; 2011; 2012a, b). HRCT Imaging basiert auf den gleichen Prinzipien wie medizinische CT-Systeme, sondern auch eine hohe Intensität Synchrotron Röntgenquelle führt zu einer höheren räumlichen Auflösung auf und sank Bildaufnahmezeit. Hier zeigen wir im Detail, wie Synchrotron-HRCT (durchgeführt an der Advanced Light Source-LBNL Berkeley, CA, USA) in Kombination mit Avizo Software (VSG Inc., Burlington, MA, USA) verwendet wird, um Pflanzen Xylem zu erforschen, herausgeschnittene Gewebe und lebenden Pflanzen. Diese neue Imaging-Tool ermöglicht es Benutzern, über die traditionellen statischen 2D-Licht oder Elektronenstrahlen Aufnahmen und Studium Proben mittels virtueller serieller Schnitte in jeder Ebene zu bewegen. Eine unendliche Anzahl von Scheiben in jeder Orientierung ceine an der gleichen Probe, ein Feature, das physisch unmöglich ist mit herkömmlichen Mikroskopie-Methoden hergestellt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass HRCT sowohl krautige und holzige Pflanzen, und eine Reihe von Pflanzenteilen (dh Blätter, Blattstiele, Stängel, Stämme, Wurzeln) angewendet werden können. Hier präsentierten Zahlen dazu beitragen, sowohl eine Reihe von repräsentativen Anlage Gefäßanatomie und die Art der Ausschnitt aus HRCT Datensätzen, einschließlich Scans für Küstenmammutbaum (Sequoia sempervirens), Walnuss (Juglans spp.), Eiche (Quercus spp.) Und Ahorn extrahiert ( Acer spp.) Baumverjüngung die Sonnenblumen (Helianthus annuus), Weinreben (Vitis spp.) und Farnen (Pteridium aquilinum und Woodwardia fimbriata). Herausgeschnitten und getrocknet Proben von Gehölzen sind am einfachsten zu scannen und liefern typischerweise die besten Bilder. Allerdings haben die jüngsten Verbesserungen (dh schnellere Scans und Probenstabilisierung) machte es möglIVK diese Visualisierungstechnik auf grünem Gewebe (zB Blattstiele) und lebende Pflanzen verwenden. Anlässlich gewisse Schrumpfung des hydratisierten grünen Pflanzengewebe verursachen Bilder verschwimmen und Methoden zur Vermeidung dieser Probleme beschrieben werden. Diese jüngsten Fortschritte mit HRCT bieten vielversprechende neue Einblicke in Werk vaskuläre Funktion.

Synchotron HRCT-Scans wurden erfolgreich auf einer Vielzahl von pflanzlichen Geweben und Arten mit Beamline 8.3.2 (Abbildung 5) umgesetzt und zur Verfügung gestellt haben neue Einblicke in die Struktur und Funktion pflanzlicher Xylem in bisher unerreichter Auflösung in 3D. Die Visualisierung und Exploration Fähigkeiten, die von der 3D-Rekonstruktionen (wie in den Figuren 6-8 dargestellt, und Filme 1-3) vorgesehen ermöglichen eine präzise Bestimmung der Position und Ausrichtung der ...

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

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

Hochauflösung Röntgenstrahl-Computertomographie (HRCT) ist eine nicht-destruktive diagnostischen Bildgebungsverfahren, verwendet, um die Struktur und Funktion der Anlage Gefäßsystem in 3D studieren kann. Wir zeigen, wie HRCT ermöglicht Erforschung der Xylem Netzwerke über eine breite Palette von pflanzlichen Geweben und Arten.

Mit hochauflösenden Computertomographie, die dreidimensionale Struktur und Funktion pflanzlicher Gefäßsystem Visualisieren

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

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20.9K Aufrufe.  U.S. Department of Agriculture. Hochauflösung Röntgenstrahl-Computertomographie (HRCT) ist eine nicht-destruktive diagnostischen Bildgebungsverfahren, verwendet, um die Struktur und Funktion der Anlage Gefäßsystem in 3D studieren kann. Wir zeigen, wie HRCT ermöglicht Erforschung der Xylem Netzwerke über eine breite Palette von pflanzlichen Geweben und Arten.

Serie: 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.

Hallo-C: eine Methode, um die dreidimensionale Architektur des Genoms Study.

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

Forschung

Biologie

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.

Funktionelle Rekonstitution und Kanalaktivitätsmessungen von gereinigtem Wildtyp und mutierten CFTR-Protein

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.

Hohe Auflösung Quantifizierung kristalliner Cellulose Akkumulation in<em&gt; Arabidopsis</em&gt; Roots Gewebespezifische Zellwand Änderungen überwachen

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.

Hochauflösende Respirationstest zur Beurteilung mitochondrialen Funktion in permeabilisierten und Intakte Zellen

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.

Hochauflösender Respirometrie, mitochondriale Funktion intakt Beta-Zellen in Anwesenheit von Naturstoffen zu messen

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.

Analyse der Beta-Zellfunktion mit einzelligen Auflösung Kalzium Imaging im Zebrafisch Inselchen

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.

Single-Cell Resolution Dreidimensionale Bildgebung intakter Organoide

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.

Bewertung der globalen Augenstruktur nach der Raumfahrt mit einer mikroberechneten Tomographie (Micro-CT) Imaging-Methode

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.

Neutronenradiographie und Computertomographie biologischer Systeme am Hochflussisotopenreaktor des Oak Ridge National Laboratory

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.

Konstruktion eines realistischen, dreidimensionalen Ganzkörper-Pferdeskelettmodells unter Verwendung von Computertomographiedaten

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