המחברים מבקשים להודות לS Castorani, AJ Eustis, GA גמבטה, CM Manuck, Z Nasafi, וZedan. עבודה זו מומנה על ידי: המחלקה למימון מחקר חקלאי חקלאות-שירות הנוכחי מחקר מידע המערכת בארה&quot;ב (פרויקט מחקר לא 5306-21220-004-00; מקור האור המתקדם נתמך על ידי המנהל, משרד המדע, משרד בסיסי. מדעי אנרגיה, של משרד אנרגיה של ארה&quot;ב תחת חוזה מס DE-AC02-05CH11231);. וNIFA מיוחד יבולי מחקר יוזמת המענק לAJM.

<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>

אין לנו מה למסור.

Synchotron HRCT מספק ביולוגי צמח עם כלי רב עצמה, שאינו הרסני לחקור את המבנה הפנימי של כלי דם צמח בפירוט מדהים. טכנולוגיה זו נמצאת בשימוש לאחרונה כדי לזהות מבנים אנטומיים יתוארו בטפסים בעבר בעצת גפן דיפרנציאלי משנים את הקישוריות לרשת עצה במינים שונים גפנים (Brodersen אח&#39; 201...

מים מועברים משורשי צמח אל העלים ברקמת כלי דם נקראת עצה - רשת של צינורות המחוברים ביניהם, סיבים, ותאי חיים, פעילים מטבולית. תפקוד של תחבורת עצת מפעל חייב להישמר לאספקת חומרי מזון ומים לעלים לפוטוסינתזה, צמיחה וסופו של דבר הישרדות. הובלת מים בצינורות עצה יכולה להשתבש כאשר רשת העצה נפגעת על ידי אורגניזמים פתוגניים. בתגובה לצמחי זיהומים כאלה לעתים קרובות לייצר ג&#39;לי, חניכיים וtyloses כאמצעי לבודד התפשטות הפתוגן (למשל McElrone et al 2008; 2010). מתח בצורת יכול גם להגביל הובלת מים בעצה. כמו צמחים מאבדים מים בצורה ממושכת, מתח בונה במוהל העצה. מים תחת מתח הוא metastable (כלומר בסף מסוים המתח יהיה גדול מספיק למער עמודות מים המצויים בצינורות עצה). לאחר cavitation מתרחש, בועת גז (תסחיף) יכולה ליצור ולמלא את המנצחuit, תנועה ביעילות חסימת מים (טיירי וSperry 1989), תופעה מקבילה למחלת דקומפרסיה (דהיינו &quot;מתכופף&quot;) בצוללנים במעמקי ים. למרות חשיבותו של הובלת מי עצה לתפקוד אופטימלי צמח כפי שמודגם על ידי גוף מכריע של ספרות הסטורית ועכשווית על נושא זה (וטיירי צימרמן, 2002;. הולברוק ואח&#39;, 2005), עדיין יש היבטים של רשתות העצה שנשארים חמקמק . מספר קבוצות מחקר החלו לאחרונה ניצול רזולוצית רנטגן ממוחשב גבוהה מייקר טומוגרפיה (HRCT) כדי להעריך פרטים קטנים של האנטומיה עץ ורקמת כלי דם (למשל מאיו ואח&#39;; 2010, 2008; מהאנס ואח&#39; 2010;. Brodersen et al 2010. , 2011, 2012a, ב; מאדה ויקים, 2009; הערבה et al 2004).. HRCT היא טכניקה הורסת להשתמש כדי להמחיש תכונות הפנימיות של עצמים מוצקים וכדי להשיג מידע דיגיטלי על התכונות המבניות 3-D שלהם. HRCTשונה מחתול לסריקה רפואית קונבנציונלית ביכולתה לפתור את הפרטים קטנים כמו מיקרון בגודל, גם לאובייקטים בצפיפות גבוה. התקדמות בטכנולוגית HRCT סינכרוטרון שפרה רזולוציית תמונה ויחס אות לרעש במידה מספקת כך שרשתות כלי צמחים וחיבורי intervessel יכולים להיות חזותיות, הוקצתה קואורדינטות 3D, וייצא לסימולציות מודל הידראוליות. Brodersen et al. (2011) לאחרונה התקדם בטכניקה זו על ידי שילוב של 3D שחזורים שנוצרו על ידי סינכרוטרון HRCT עם מודל פורטרן שמחלצת נתונים באופן אוטומטי מרשת העצה ברזולוציה גבוהה הרבה יותר מאשר היה אי פעם אפשרי עם שיטות מסורתיות (כלומר אנטומיים סידורי חתך עם microtome וצילום תמונה במיקרוסקופ אור, למשל 1971 צימרמן). עבודה זו שמשה גם כדי לייעל מודלים הידראוליים של מערכת העצה וזיהתה מאפיינים ייחודיים של תחבורה (זרימה הפוכה כלומר יש בחלקssels בתקופות של שיא דיות) (Lee et al., בסקירה). Synchrotron HRCT כעת ניתן להשתמש כדי להמחיש פונקציונלי עצה, רגישות לcavitation, ויכולת של צמחים לתיקון תעלות אמבוליזציה. אי ספיקה להקים מחדש בתעלות אמבוליזציה מפחיתה את היכולת הידראולית, פוטוסינתזת גבולות, ותוצאות במות צמח במקרים קיצוניים (מקדואל et al. שנת 2008). צמחים יכולים להתמודד עם תסחיפים על ידי הטיית מים סביב חסימות באמצעות בורות תעלות המקשרות פונקציונליות סמוכות, ועל ידי גידול העצה חדשה שתחליף קיבולת הידראולית לאיבוד. צמחים מסוימים יש היכולת לתקן הפסקות בעמודות המים, אבל את הפרטים של התהליך הזה בעצה תחת מתח נשארו לא ברורים במשך עשרות שנים. Brodersen et al. (2010) ולאחרונה דמיין לכמת תהליך המילוי בגפנים חיות באמצעות HRCT. כלי מוצלח למילוי היה תלוי בזרם מים מתאי חיים המקיפים את xylem תעלות, שבו טיפי מים בודדות התרחבו לאורך זמן, כולים מלאים, ואלצו את פירוק הגז לכוד. הקיבולת של צמחים שונים לתיקון כולים פרוצים עצה ומנגנוני שליטת תיקונים אלה נחקרת כעת. תיאור של מתקן ALS Beamline 8.3.2 העבודה שלנו עד כה נערכה על ה-X-Micro טומוגרפיה Beamline הקשיח 8.3.2 במקור האור המתקדם בלורנס ברקלי הלאומית (ברקלי קליפורניה ארה&quot;ב). דגימות צמחים מונחות בכלוב 20 מ &#39;עופרת מרופדת הממוקם ממקור רנטגן, שנוצר על ידי מגנט 6 טסלה מוליכי עיקול דיפול בתוך ההפעלה המתקדמת מקור אור אלקטרוני אחסון הטבעת באנרגיה קריטית של 11.5 קאב. סכמטי של תחנת הקצה מוצג באיור 1. את קרן ה-X להיכנס לכלוב עם גודל קרן של 40X ~ 4.6 מ&quot;מ ועוברת דרך הדגימה שהוא רכובה על במה מסתובבת ממונעת.המשודר רנטגן לפגוע בscintillator גביש (שני חומרים נפוצים הם LuAG או CdWO 4) אשר להמיר בקרן רנטגן לאור הנראה שמועבר דרך עדשות על CCD לאוסף תמונה. המצלמה, אופטיקה וscintillator כלולים בתיבה הדוקה אור שהיא על מסילה שמאפשרת את מרחק מדגם לscintillator להיות מותאם להדמיה לעומת שלב. כל הדגימות הם רכובים על במת 10 סנטימטרי הקוטר הסיבובית אשר בתורו הוא רכובה על שלבי תרגום אופקיים ואנכיים למיצוב מדגם. מדגם צמח חי, עם מערכת השורשים רכובות בבעל מותאם אישית נבנה עציץ והעלווה הכלולה בצינור אקרילי, ניתן לראות באיור 2. זמני חשיפה אופייניים יכולים לנוע 0.1-1 שניות באמצעות 10-18 קאב, ומשך סריקה ינוע 5-40 דקות בהתאם להגדרות המותאמות למדגם מסוים. לקבלת דוגמיות גבוהה (אופייני לרשתות העצה צמחים), סריקות נתונים יכולות להיותרעפים על ידי חזרה על המדידה במדגם בגבהים שונים, הנשלט באופן אוטומטי, מה שמאפשר סעיפים סידוריים חלקים לאורך גובה דגימה מרבית של ~ 10 סנטימטר. רוחב דגימה מרבי כאשר הדמיה ברזולוציה של 4.5 מיקרומטר היא ~ 1 סנטימטר לדגימות שנמצאות כמעט מושלמים בכיוון אנכי. דור ועיבוד נתונים הושלם באמצעות הפרוטוקול המפורט להלן. בגלל ההבדל בהנחתת רנטגן בין האוויר ומים, לעומת זאת תמונה מעולה ניתן להשיג בצמחים ללא שימוש בפתרוני ניגודיות טיפוסיים של מערכות רפואיות CT. לומן כלי מלא אוויר הוא להבחין בקלות מהרקמה שמסביב מלאת מים בצמחי hydrated.

<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

רזולוצית רנטגן טומוגרפיה ממוחשבת גבוהה (HRCT) היא טכניקה שאינה הרסני אבחון הדמיה עם יכולת רזולוציה תת מיקרון שנמצא כעת בשימוש על מנת להעריך את המבנה והתפקוד של רשת עצת צמח בשלושה ממדים (3D) (לדוגמא Brodersen אח&#39; . 2010; 2011; 2012a, ב). HRCT ההדמיה מתבססת על אותם העקרונות כמו מערכות CT רפואיות, אלא תוצאות בעצמה גבוהה synchrotron רנטגן מקור ברזולוציה מרחבית גבוהה יותר וירידה בזמן רכישת תמונה. הנה, אנחנו מדגימים בפירוט כיצד סינכרוטרון מבוסס HRCT (שבוצע במקור-LBNL המתקדם אור ברקלי, קליפורניה, ארה&quot;ב) בשילוב עם תוכנת Avizo (VSG Inc, ברלינגטון, מסצ&#39;וסטס, ארה&quot;ב) נמצא בשימוש כדי לחקור את העצה בצמח נכרת רקמות וצמחי חיים. כלי הדמיה החדשים מאפשרים למשתמשים לנוע מעבר לאור מסורתי סטטי, 2D או micrographs אלקטרונים ודגימות מחקר באמצעות חלקים סדרתיים וירטואליים בכל מטוס. מספר אינסופי של פרוסות בכל האורינטציה גלהתבצע על המדגם הזהה, תכונה שאי אפשר להשתמש בשיטות מיקרוסקופיה פיזית מסורתיות. תוצאות מראות כי HRCT ניתן ליישם גם עשבוני ומיני צמחים וודי, ומגוון רחב של איברי צמח (עלים כלומר, פטוטרות, גבעולים, גזעים, שורשים). נתונים שהוצגו כאן לעזור להפגין גם מגוון של כלי דם האנטומיה צמח נציג והסוג של פירוט נשלף ממערכות HRCT, כולל סריקות לחוף סקויה (Sequoia sempervirens), אגוז (Juglans spp.), אלון (Quercus spp.), ומייפל ( Acer spp.) שתילי עצים לחמניות (Helianthus annuus), גפנים (תטיס spp.), ושרכים (Pteridium aquilinum וWoodwardia Fimbriata). דגימות שנכרתו והתייבשו ממינים עציים הן קלות ביותר לסריקה ובדרך כלל יניבו את התמונות הטובות ביותר. עם זאת, השיפורים האחרונים (כלומר סריקות מהירות יותר וייצוב מדגם) עשו את זה possניכר בו כלל להשתמש בטכניקת הדמיה זו על רקמות ירוקות (למשל פטוטרות) ובצמחים חיים. בהזדמנות כלשהי התכווצות של רקמות צמח ירוקה hydrated תגרום לתמונות המטושטשות ושיטות, כדי למנוע בעיות אלו מתוארים. ההתקדמות האחרונה האלה עם HRCT לספק תובנה חדשות ומבטיחות לתפקוד כלי דם צמח.

סריקות Synchotron HRCT יושמו בהצלחה במגוון רחב של רקמות צמח ומינים באמצעות beamline 8.3.2 (איור 5), וספקו תובנה חדשות על המבנה והתפקוד של עצת צמח ברזולוציה חסרה תקדים ב-3D. יכולות ההדמיה וחקר הניתנות על ידי 3D השחזורים (כמוצג באיורים 6-8; וסרטי 1-3) מאפשרות קביעה מדויקת ...

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

שימוש בטומוגרפיה ממוחשבת ברזולוציה גבוהה כדי להמחיש את המבנה והתפקוד התלת מימדי של כלי הדם בצמחים | ביולוגיה | וִידֵאוֹ

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

רזולוצית רנטגן טומוגרפיה ממוחשבת גבוהה (HRCT) היא טכניקת הדמיה לאבחון לא הרסנית שניתן להשתמש בו כדי ללמוד את המבנה והתפקוד של מערכת כלי דם צמח ב-3D. אנחנו מדגימים איך HRCT מאפשר חקר של רשתות העצה על פני מגוון רחב של רקמות צמח ומינים.

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

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

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. רזולוצית רנטגן טומוגרפיה ממוחשבת גבוהה (HRCT) היא טכניקת הדמיה לאבחון לא הרסנית שניתן להשתמש בו כדי ללמוד את המבנה והתפקוד של מערכת כלי דם צמח ב-3D. אנחנו מדגימים איך HRCT מאפשר חקר של רשתות העצה על פני מגוון רחב של רקמות צמח ומינים.

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.

Hi-C: שיטה לחקר ארכיטקטורה תלת ממדי של הגנום.

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.

מדידות הכינון פונקציונלי ופעילות הערוץ של מטוהרים wildtype וחלבון CFTR Mutant

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.

כימות רזולוציה גבוהות של הצטברות צלולוזת גבישים ב<em&gt; ארבידופסיס</em&gt; שורשי לפקח סלולארי רקמות ספציפיות קיר שינויים

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.

ברזולוציה גבוהה Respirometry להעריך תפקוד מיטוכונדריאלי permeabilized ו תאים שלמים

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.

Respirometry ברזולוציה גבוהה כדי למדוד את הפונקציה מיטוכונדריאלי של תאי הבטא תקין בנוכחות תרכובות טבעיות

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.

ניתוח של תפקוד תאי בטא באמצעות הדמיה הסידן בתא יחיד ברזולוציה איונים דג זברה

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.

הדמיה תלת-ממדית ברזולוציה חד-תאית של אורגנואידים שלמים

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.

הערכת מבנה עיני גלובלי בעקבות Spaceflight באמצעות שיטת הדמיה מיקרו-מחושבת (מיקרו-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.

רדיוגרפיה של נייטרונים וטומוגרפיה ממוחשבת של מערכות ביולוגיות בכור איזוטופ השטף הגבוה של המעבדה הלאומית אוק רידג'

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.

בניית מודל שלד סוסים מציאותי, שלם,שלם, תלת-ממדי, באמצעות נתוני טומוגרפיה ממוחשבים

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