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

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

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

We have nothing to disclose.

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

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

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>X-Tek/Metris XTH 320/225 kV&#160;</td>
			<td>Nikon Metrology</td>
			<td>n/a</td>
			<td>X-ray tomography scanner</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Inspect X</td>
			<td>Nikon Metrology</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Instrument control software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CT Pro 3D</td>
			<td>Nikon Metrology</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Reconstruction software, version XT 2.2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VG Studio MAX</td>
			<td>Visual Graphics GmbH</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Visualization software for 3D volumes, version 2.1.5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ImageJ</td>
			<td>Open-source</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Image processing and analysis software, version 1.6</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RooTrak</td>
			<td>Open-source</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Root segmentation software, version 0.3.1-b1 beta</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>imeshJ</td>
			<td>EMSL</td>
			<td>n/a</td>
			<td>MATLAB script developed by the authors</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Prairie dropseed grass sample</td>
			<td>n/a</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Sample obtained from ground in residential area</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Research

JoVE Journal

Environment

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

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

Surface Renewal: An Advanced Micrometeorological Method for Measuring and Processing Field-Scale Energy Flux Density Data

Advanced micrometeorological methods have become increasingly important in soil, crop, and environmental sciences. For many scientists without formal training in atmospheric science, these techniques are relatively inaccessible. Surface renewal and other flux measurement methods require an understanding of boundary layer meteorology and extensive training in instrumentation and multiple data management programs. To improve accessibility of these techniques, we describe the underlying theory of surface renewal measurements, demonstrate how to set up a field station for surface renewal with eddy covariance calibration, and utilize our open-source turnkey data logger program to perform flux data acquisition and processing. The new turnkey program returns to the user a simple data table with the corrected fluxes and quality control parameters, and eliminates the need for researchers to shuttle between multiple processing programs to obtain the final flux data. An example of data generated from these measurements demonstrates how crop water use is measured with this technique. The output information is useful to growers for making irrigation decisions in a variety of agricultural ecosystems. These stations are currently deployed in numerous field experiments by researchers in our group and the California Department of Water Resources in the following crops: rice, wine and raisin grape vineyards, alfalfa, almond, walnut, peach, lemon, avocado, and corn.

Surface renewal is a micrometeorological method that is being used increasingly to determine energy fluxes, but its technical complexity makes it inaccessible to a broad audience. We describe the steps needed to set up and calibrate a surface renewal field station, to acquire and process data, and to correctly interpret results.

חידוש פני השטח: שיטה מתקדם Micrometeorological למדידה ועיבוד שדה בקנה מידת אנרגיה שטף נתוני צפיפות

Advanced micrometeorological methods have become  increasingly important in soil, crop, and environmental sciences.  For many scientists without formal ...

A Small Volume Procedure for Viral Concentration from Water

Small-scale concentration of viruses (sample volumes 1-10 L, here simulated with spiked 100 ml water samples) is an efficient, cost-effective way to identify optimal parameters for virus concentration. Viruses can be concentrated from water using filtration (electropositive, electronegative, glass wool or size exclusion), followed by secondary concentration with beef extract to release viruses from filter surfaces, and finally tertiary concentration resulting in a 5-30 ml volume virus concentrate. In order to identify optimal concentration procedures, two different electropositive filters were evaluated (a glass/cellulose filter [1MDS] and a nano-alumina/glass filter [NanoCeram]), as well as different secondary concentration techniques; the celite technique where three different celite particle sizes were evaluated (fine, medium and large) followed by comparing this technique with that of the established organic flocculation method. Various elution additives were also evaluated for their ability to enhance the release of adenovirus (AdV) particles from filter surfaces. Fine particle celite recovered similar levels of AdV40 and 41 to that of the established organic flocculation method when viral spikes were added during secondary concentration. The glass/cellulose filter recovered higher levels of both, AdV40 and 41, compared to that of a nano-alumina/glass fiber filter. Although not statistically significant, the addition of 0.1% sodium polyphosphate amended beef extract eluant recovered 10% more AdV particles compared to unamended beef extract.

An approach was developed for identifying optimal viral concentration conditions for small volume water samples using spikes of human adenovirus. The techniques described here are used to identify concentration parameters for other viral targets, and applied to large-scale viral concentration experimentation.

נוהל נפח קטן לריכוז נגיפי ממים

Small-scale concentration of viruses (sample volumes 1-10 L, here simulated with spiked 100 ml water samples) is an efficient, cost-effective way to ...

Use of Chironomidae (Diptera) Surface-Floating Pupal Exuviae as a Rapid Bioassessment Protocol for Water Bodies

Rapid bioassessment protocols using benthic macroinvertebrate assemblages have been successfully used to assess human impacts on water quality. Unfortunately, traditional benthic larval sampling methods, such as the dip-net, can be time-consuming and expensive. An alternative protocol involves collection of Chironomidae surface-floating pupal exuviae (SFPE). Chironomidae is a species-rich family of flies (Diptera) whose immature stages typically occur in aquatic habitats. Adult chironomids emerge from the water, leaving their pupal skins, or exuviae, floating on the water&#8217;s surface. Exuviae often accumulate along banks or behind obstructions by action of the wind or water current, where they can be collected to assess chironomid diversity and richness. Chironomids can be used as important biological indicators, since some species are more tolerant to pollution than others. Therefore, the relative abundance and species composition of collected SFPE reflect changes in water quality. Here, methods associated with field collection, laboratory processing, slide mounting, and identification of chironomid SFPE are described in detail. Advantages of the SFPE method include minimal disturbance at a sampling area, efficient and economical sample collection and laboratory processing, ease of identification, applicability in nearly all aquatic environments, and a potentially more sensitive measure of ecosystem stress. Limitations include the inability to determine larval microhabitat use and inability to identify pupal exuviae to species if they have not been associated with adult males.

Use of Chironomidae Diptera Surface-Floating Pupal Exuviae as a Rapid Bioassessment Protocol for Water Bodies

Rapid bioassessment protocols using benthic macroinvertebrates are often used to monitor and assess water quality. An efficient protocol involves collections of Chironomidae surface-floating pupal exuviae (SFPE). Here, techniques for field collection, laboratory processing, slide mounting, and identification of Chironomidae SFPE are described.

שימוש בChironomidae (כפולי כנף) גלמי Exuviae כמהיר Bioassessment פרוטוקול לגופי מים צפים-שטח

Rapid bioassessment protocols using benthic macroinvertebrate assemblages have been successfully used to assess human impacts on water quality. ...

Soil Lysimeter Excavation for Coupled Hydrological, Geochemical, and Microbiological Investigations

Studying co-evolution of hydrological and biogeochemical processes in the subsurface of natural landscapes can enhance the understanding of coupled Earth-system processes. Such knowledge is imperative in improving predictions of hydro-biogeochemical cycles, especially under climate change scenarios. We present an experimental method, designed to capture sub-surface heterogeneity of an initially homogeneous soil system. This method is based on destructive sampling of a soil lysimeter designed to simulate a small-scale hillslope. A weighing lysimeter of one cubic meter capacity was divided into sections (voxels) and was excavated layer-by-layer, with sub samples being collected from each voxel. The excavation procedure was aimed at detecting the incipient heterogeneity of the system by focusing on the spatial assessment of hydrological, geochemical, and microbiological properties of the soil. Representative results of a few physicochemical variables tested show the development of heterogeneity. Additional work to test interactions between hydrological, geochemical, and microbiological signatures is planned to interpret the observed patterns. Our study also demonstrates the possibility of carrying out similar excavations in order to observe and quantify different aspects of soil-development under varying environmental conditions and scale.

This study presents an excavation method for investigating subsurface hydrological, geochemical, and microbiological heterogeneity of a soil lysimeter. The lysimeter simulates an artificial hillslope which was initially under homogeneous condition and had been subjected to approximately 5,000 mm of water over eight cycles of irrigation in an 18-month period.

חפירה באדמה Lysimeter עבור ההידרולוגי מצמידים, גיאוכימיות, וחקירות מיקרוביולוגיות

Studying co-evolution of hydrological and biogeochemical processes in the subsurface of natural landscapes can enhance the understanding of coupled ...

Modification and Application of a Leaf Blower-vac for Field Sampling of Arthropods

Rice fields host a large diversity of arthropods, but investigating their population dynamics and interactions is challenging. Here we describe the modification and application of a leaf blower-vac for suction sampling of arthropod populations in rice. When used in combination with an enclosure, application of this sampling device provides absolute estimates of the populations of arthropods as numbers per standardized sampling area. The sampling efficiency depends critically on the sampling duration. In a mature rice crop, a two-minute sampling in an enclosure of 0.13 m2 yields more than 90% of the arthropod population. The device also allows sampling of arthropods dwelling on the water surface or the soil in rice paddies, but it is not suitable for sampling fast flying insects, such as predatory Odonata or larger hymenopterous parasitoids. The modified blower-vac is simple to construct, and cheaper and easier to handle than traditional suction sampling devices, such as D-vac. The low cost makes the modified blower-vac also accessible to researchers in developing countries.

Assessment of arthropod abundance in crops is critical for investigating population dynamics and species interactions. Here we describe the modification and application of a leaf blower-vac for suction sampling of arthropods in rice.

שינוי ויישום של VAC מפוח עלים עבור דגימת שדה של פרוקי רגליים

Rice fields host a large diversity of arthropods, but investigating their population dynamics and interactions is challenging. Here we describe the ...

Protocol for Microplastics Sampling on the Sea Surface and Sample Analysis

Microplastic pollution in the marine environment is a scientific topic that has received increasing attention over the last decade. The majority of scientific publications address microplastic pollution of the sea surface. The protocol below describes the methodology for sampling, sample preparation, separation and chemical identification of microplastic particles. A manta net fixed on an &#187;A frame&#171; attached to the side of the vessel was used for sampling. Microplastic particles caught in the cod end of the net were separated from samples by visual identification and use of stereomicroscopes. Particles were analyzed for their size using an image analysis program and for their chemical structure using ATR-FTIR and micro FTIR spectroscopy. The described protocol is in line with recommendations for microplastics monitoring published by the Marine Strategy Framework Directive (MSFD) Technical Subgroup on Marine Litter. This written protocol with video guide will support the work of researchers that deal with microplastics monitoring all over the world.

The protocol below describes the methodology for: microplastics sampling on the sea surface, separation of microplastic and chemical identification of particles. This protocol is in line with the recommendations for microplastics monitoring published by the MSFD Technical Subgroup on Marine Litter.

פרוטוקול עבור דגימת חלקיקים על פני הים וניתוח לדוגמא

Microplastic pollution in the marine environment is a scientific topic that has received increasing attention over the last decade. The majority of ...

Vegetated Treatment Systems for Removing Contaminants Associated with Surface Water Toxicity in Agriculture and Urban Runoff

Urban stormwater and agriculture irrigation runoff contain a complex mixture of contaminants that are often toxic to adjacent receiving waters. Runoff may be treated with simple systems designed to promote sorption of contaminants to vegetation and soils and promote infiltration. Two example systems are described: a bioswale treatment system for urban stormwater treatment, and a vegetated drainage ditch for treating agriculture irrigation runoff. Both have similar attributes that reduce contaminant loading in runoff: vegetation that results in sorption of the contaminants to the soil and plant surfaces, and water infiltration. These systems may also include the integration of granulated activated carbon as a polishing step to remove residual contaminants. Implementation of these systems in agriculture and urban watersheds requires system monitoring to verify treatment efficacy. This includes chemical monitoring for specific contaminants responsible for toxicity. The current paper emphasizes monitoring of current use pesticides since these are responsible for surface water toxicity to aquatic invertebrates.

This article summarizes the design attributes and the effectiveness of treatment systems that treat urban stormwater and agriculture irrigation runoff to remove pesticides and other contaminants associated with aquatic toxicity.

מערכות טיפול צמחי להסרת מזהמים המשויכים לרעלת פני המים בחקלאות ובנוף העירוני

Urban stormwater and agriculture irrigation runoff contain a complex mixture of contaminants that are often toxic to adjacent receiving waters. Runoff may ...

Dispersion of Nanomaterials in Aqueous Media: Towards Protocol Optimization

The sonication process is commonly used for de-agglomerating and dispersing nanomaterials in aqueous based media, necessary to improve homogeneity and stability of the suspension. In this study, a systematic step-wise approach is carried out to identify optimal sonication conditions in order to achieve a stable dispersion. This approach has been adopted and shown to be suitable for several nanomaterials (cerium oxide, zinc oxide, and carbon nanotubes) dispersed in deionized (DI) water. However, with any change in either the nanomaterial type or dispersing medium, there needs to be optimization of the basic protocol by adjusting various factors such as sonication time, power, and sonicator type as well as temperature rise during the process. The approach records the dispersion process in detail. This is necessary to identify the time points as well as other above-mentioned conditions during the sonication process in which there may be undesirable changes, such as damage to the particle surface thus affecting surface properties. Our goal is to offer a harmonized approach that can control the quality of the final, produced dispersion. Such a guideline is instrumental in ensuring dispersion quality repeatability in the nanoscience community, particularly in the field of nanotoxicology.

Here, we present a step-wise protocol for the dispersion of nanomaterials in aqueous media with real-time characterization to identify the optimal sonication conditions, intensity, and duration for improved stability and uniformity of nanoparticle dispersions without impacting the sample integrity.

פיזור של ננו בתקשורת מימית: לקראת פרוטוקול אופטימיזציה

The sonication process is commonly used for de-agglomerating and dispersing nanomaterials in aqueous based media, necessary to improve homogeneity and ...

Stress Distribution During Cold Compression of Rocks and Mineral Aggregates Using Synchrotron-based X-Ray Diffraction

We report detailed procedures for performing compression experiments on rocks and mineral aggregates within a multi-anvil deformation apparatus (D-DIA) coupled with synchrotron X-radiation. A cube-shaped sample assembly is prepared and compressed, at room temperature, by a set of four X-ray transparent sintered diamond anvils and two tungsten carbide anvils, in the lateral and the vertical planes, respectively. All six anvils are housed within a 250-ton hydraulic press and driven inward simultaneously by two wedged guide blocks. A horizontal energy dispersive X-ray beam is projected through and diffracted by the sample assembly. The beam is commonly in the mode of either white or monochromatic X-ray. In the case of white X-ray, the diffracted X-rays are detected by a solid-state detector array that collects the resulting energy dispersive diffraction pattern. In the case of monochromatic X-ray, the diffracted pattern is recorded using a two-dimensional (2-D) detector, such as an imaging plate or a charge-coupled device (CCD) detector. The 2-D diffraction patterns are analyzed to derive lattice spacings. The elastic strains of the sample are derived from the atomic lattice spacing within grains. The stress is then calculated using the predetermined elastic modulus and the elastic strain. Furthermore, the stress distribution in two-dimensions allow for understanding how stress is distributed in different orientations. In addition, a scintillator in the X-ray path yields a visible light image of the sample environment, which allows for the precise measurement of sample length changes during the experiment, yielding a direct measurement of volume strain on the sample. This type of experiment can quantify the stress distribution within geomaterials, which can ultimately shed light on the mechanism responsible for compaction. Such knowledge has the potential to significantly improve our understanding of key processes in rock mechanics, geotechnical engineering, mineral physics, and material science applications where compactive processes are important.

We report detailed procedures for compression experiments on rocks and mineral aggregates within a multi-anvil deformation apparatus coupled with synchrotron X-radiation. Such experiments allow quantification of the stress distribution within samples, that ultimately sheds light on compaction processes in geomaterials.

התפלגות הלחץ בזמן הדחיסה קר של סלעים אגרגטים מינרלים באמצעות עקיפה רנטגן מבוססות סינכרוטרון

We report detailed procedures for performing compression experiments on rocks and mineral aggregates within a multi-anvil deformation apparatus (D-DIA) ...

Isolation and Analysis of Microbial Communities in Soil, Rhizosphere, and Roots in Perennial Grass Experiments

Plant and soil microbiome studies are becoming increasingly important for understanding the roles microorganisms play in agricultural productivity. The purpose of this manuscript is to provide detail on how to rapidly sample soil, rhizosphere, and endosphere of replicated field trials and analyze changes that may occur in the microbial communities due to sample type, treatment, and plant genotype. The experiment used to demonstrate these methods consists of replicated field plots containing two, pure, warm-season grasses (Panicum virgatum and Andropogon gerardii) and a low-diversity grass mixture (A. gerardii, Sorghastrum nutans, and Bouteloua curtipendula). Briefly, plants are excavated, a variety of roots are cut and placed in phosphate buffer, and then shaken to collect the rhizosphere. Roots are brought to the laboratory on ice and surface sterilized with bleach and ethanol (EtOH). The rhizosphere is filtered and concentrated by centrifugation. Excavated soil from around the root ball is placed into plastic bags and brought to the lab where a small amount of soil is taken for DNA extractions. DNA is extracted from roots, soil, and rhizosphere and then amplified with primers for the V4 region of the 16S rRNA gene. Amplicons are sequenced, then analyzed with open access bioinformatics tools. These methods allow researchers to test how the microbial community diversity and composition varies due to sample type, treatment, and plant genotype. Using these methods along with statistical models, the representative results demonstrate there are significant differences in microbial communities of roots, rhizosphere, and soil. Methods presented here provide a complete set of steps for how to collect field samples, isolate, extract, quantify, amplify, and sequence DNA, and analyze microbial community diversity and composition in replicated field trials.

Excavation of plant roots from the field as well as processing of samples into endosphere, rhizosphere, and soil are described in detail, including DNA extraction and data analysis methods. This paper is designed to enable other laboratories to use these techniques for the study of soil, endosphere, and rhizosphere microbiomes.

בידוד וניתוח של הקהילות מיקרוביאלית בקרקע, Rhizosphere ושורשים בניסויים עשב רב שנתי

Plant and soil microbiome studies are becoming increasingly important for understanding the roles microorganisms play in agricultural productivity. The ...