Ringraziamo i tre revisori anonimi per il loro feedback e suggerimenti. Questa ricerca è stata finanziata dal BOF Special Research Fund for JVdB (BOF Starting Grant BOF. STG.2018.0007.01), per l'UGCT come centro di competenza (BOF. EXP.2017.0007) e come Core Facility (BOF. COR.2022.008), Gli autori ringraziano inoltre la Fondazione per la ricerca delle Fiandre (G019521N e G009720N) e il Fondo per la ricerca industriale UGent (IOF) per il sostegno finanziario all'infrastruttura attraverso la sovvenzione IOF. APP.2021.0005 (progetto FaCT F2021/IOF-Equip/021).

Analisi degli anelli di accrescimento degli alberi ad alto rendimento e stima della densità

Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.

Passaggi critici all'interno del protocollo I passaggi critici all'interno del protocollo includono la corretta gestione della trivella per ottenere nuclei di incremento di alta qualità (passaggio 1.1. e vedere39) per evitare bit e pezzi. Successivamente, è essenziale che le carote siano lasciate libere (ma vedi26), sia per l'inserimento nel portacampione (Figura 5, vedi21) sia per una corretta estrazione della resi...

La densità del legno èuna variabile 1 facile da misurare che riflette sia le proprietà anatomiche che chimiche del legno2. Nelle stime della biomassa fuori terra, la densità del legno è un'importante variabile di peso 3,4,5, che viene moltiplicata per le dimensioni dell'albero e un fattore che rappresenta il contenuto di carbonio del legno. La densità del legno è strettamente legata alle proprietà meccaniche del legno6 e riflette la storia della vita di un albero7.
La densità della parete cellulare è misurata come circa 1500 kg/m³ ed è considerata abbastanza costante8,tuttavia anche le variazioni di densità della parete cellulare all'interno dell'anello dovrebbero essere considerate 8,9. Le cellule legnose (in generale tracheidi nelle conifere, vasi, parenchima e fibre nei legni duri) sono orientate/modellate in modi diversi e lo spessore della parete cellulare e la dimensione del lume di queste celle variano10. Pertanto, la densità del legno varia tra gli alberi, all'interno di un albero (assiale e trasversale) e entro brevi intervalli all'interno di un anello di un albero11,12. In molti casi la variazione della densità del legno alla scala dell'anello delimita anche il confine dell'anello dell'albero13. La densità del legno e, in ultima analisi, le frazioni tissutali vengono generate e in questo articolo sono ampiamente suddivise in tre categorie (cioè tre diverse scale di risoluzione), a seconda dell'obiettivo dello studio (Figura 1) come descritto di seguito.
Scala inter-anello: Misurando pezzi di legno, si ottiene un unico valore per quel campione. Questo può essere fatto attraverso l'immersione in acqua o geometricamente14. In questo modo è possibile ottenere variabili tecnologiche generali della biomassa o del legno. Per includere la variazione da midollo a corteccia, questi pezzi di legno possono essere ulteriormente suddivisi in blocchi che vengono misurati manualmente per ottenere informazioni sulla strategia del ciclo di vita15. Quando si passa alla TC a raggi X a bassa risoluzione, come negli scanner medici17,18, i dati TRW su anelli medio-larghi possono essere realizzati in modo efficiente su molti campioni 18,19,20. Questa è anche la scala che può essere utilizzata per valutare la biomassa dal midollo alla corteccia di alberi temperati e tropicali 4,22, tipicamente con risoluzioni comprese tra 50 μm e 200 μm.
Scala ad anello: Il legno è un registratore delle condizioni ambientali passate. Il parametro più noto è la larghezza degli anelli degli alberi (TRW), ma per le ricostruzioni della temperatura globale, i record di densità massima del legno tardivo (MXD) si sono dimostrati un proxy migliore per la temperatura22. MXD è una variabile23 facile da misurare e un proxy per lo spessore della parete cellulare e la dimensione delle celle sulle ultime celle di un anello di un albero, e si trova al limite degli alberi e nei siti boreali positivamente collegati alla temperatura dell'aria stagionale24: più calde e lunghe sono le estati, maggiore è la lignificazione della parete cellulare che aumenta così la densità di queste ultime celle. Le misure tradizionali, come l'immersione e la geometria, sono meno accurate per determinare questa densità a livello di anello. Un lavoro precedente ha sviluppato una toolchain per l'utilizzo di pellicole radiografiche su campioni a taglio sottile25. Questo ha innescato una rivoluzione sia nella silvicoltura che nella successiva paleoclimatologia15,18, definendo la massima densità del legno tardivo (MXD), cioè il valore di densità di picco spesso alla fine di un anello, come proxy per la temperatura estiva. Il principio di base è che i campioni vengono segati (da circa 1,2 mm a 7 mm13) per essere perfettamente paralleli alla direzione assiale e il campione viene posto su una pellicola sensibile esposta a una sorgente di raggi X. Quindi queste pellicole radiografiche vengono lette attraverso una sorgente luminosa che rileva l'intensità e salva i profili e i parametri annuali degli anelli degli alberi. Questi strumenti, tuttavia, richiedono una notevole quantità di preparazione del campione e lavoro manuale. Recentemente questo è stato sviluppato per la TC a raggi X in modo più standardizzato o basato su nuclei montati26. La risoluzione varia tra 10 μm e 20 μm. Anche TRW viene misurato su questa scala, soprattutto quando si tratta di anelli più piccoli.
Scala anatomica: A questa scala (risoluzione < 4 μm), i livelli medi di densità diventano meno rilevanti man mano che vengono visualizzate le principali caratteristiche anatomiche e possono essere misurate la loro larghezza e proporzioni. In genere, questo viene fatto attraverso l'esecuzione di microsezioni o scansioni ottiche ad alta risoluzione o scansioni μ-CT. Quando è necessario visualizzare l'ultrastruttura delle pareti cellulari, la microscopia elettronica a scansione è il metodo più comunemente usato27. Su scala anatomica, le singole frazioni di tessuto diventano visibili in modo che i parametri fisiologici possano essere derivati dalle immagini. Sulla base dei singoli parametri anatomici e della densità della parete cellulare del legno, la densità anatomica può essere derivata per il confronto con gli stimatori convenzionali della densità del legno24.
Grazie al miglioramento delle tecniche di sezionamento e al software di immagine29,30, la dendro-anatomia30 è stata sviluppata per avere una registrazione più accurata del legno, sia per avere una stima più precisa dell'MXD nelle conifere che per misurare diverse variabili anatomiche dagli alberi di latifoglie. Su questa scala vengono misurati i parametri anatomici effettivi e messi in relazione con i parametri ambientali31 . Con μCT questo livello può essere ottenuto anche32,33.
Poiché il legno è intrinsecamente igroscopico e anisotropo, la densità del legno deve essere definita con cura e le condizioni di misurazione devono essere specificate, come essiccazione in forno, condizionato (tipicamente al 12% di umidità) o verde (come abbattuto nella foresta)34. Per campioni di grandi dimensioni e per scopi tecnici, la densità del legno è definita come il peso diviso per il suo volume in determinate condizioni. Tuttavia, il valore della densità del legno dipende fortemente dalla scala in cui viene misurata, ad esempio dal midollo alla corteccia la densità del legno può raddoppiare, e su una scala ad anello (nelle conifere) la transizione del legno precoce a quello tardivo si traduce in un aumento significativo anche della densità del legno, con un picco al confine dell'anello.
Qui, viene presentato un protocollo di scansione TC a raggi X di nuclei di incremento per misurare le caratteristiche alle 3 scale sopra indicate (Figura 1). I recenti sviluppi della TC a raggi X possono coprire la maggior parte di queste scale, grazie a una configurazione flessibile. Gli obiettivi della ricerca determineranno l'eventuale protocollo per la scansione.
Un fattore limitante cruciale (che è intrinsecamente collegato alla natura scalata della densità del legno e del legno in generale) è la risoluzione e il tempo necessario per la scansione. Gli esempi dimostrano come: (i) ottenere profili di densità del legno a scala di albero inter-anello per le stime della biomassa in Terminalia superba dal bacino del Congo, (ii) ottenere registrazioni di densità dal cedro di Clanwilliam (Widdringtonia cedarbergensis) sulla base della scansione elicoidale su un sistema HECTOR35 e (iii) misurare i parametri dei vasi su quercia sessile, sul sistema Nanowood. Entrambi gli scanner fanno parte della suite di scanner presso l'UGent Center for X-ray Tomography (UGCT,
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65208/65208fig01.jpg"> Figura 1: Albero decisionale metodologico generale per la scansione TC a raggi X. Le righe indicano i passi da compiere, a partire dall'obiettivo della ricerca fino al formato finale dei dati. Le caselle bianche sono i passaggi rilevanti per questa toolchain. Le caselle in grigio sono passaggi che possono essere eseguiti con altri software o pacchetti R, come dplr47 e Treeclim48 per l'analisi degli anelli degli alberi, e ROXAS44 e ImageJ42 o altre applicazioni (commerciali) per derivare parametri anatomici del legno in base alle immagini TC. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65208/65208fig01large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Ricerca X-CT sul legno Configurazione di uno scanner: uno scanner CT a raggi X standard è costituito da un tubo a raggi X, un rivelatore di raggi X, uno stadio di rotazione e una serie di motori per spostare avanti e indietro lo stadio di rotazione, e nella maggior parte dei casi anche il rivelatore (Figura 2).
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65208/65208fig02.jpg"> Figura 2. Il sistema di scansione HECTOR. Il sistema35, che mostra la distanza del rivelatore sorgente (SDD) e la distanza dell'oggetto sorgente (SOD). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65208/65208fig02large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
La maggior parte dei sistemi basati su laboratori ha una geometria a fascio conico, il che significa che i raggi X prodotti vengono distribuiti dalla finestra di uscita del tubo a forma di fascio conico, il che implica che cambiando la distanza tra l'oggetto e il tubo (SOD = Source-Object-Distance) e il rivelatore e il tubo (SDD = Source-Detector-Distance), l'ingrandimento è controllato (vedi la discussione sulla risoluzione). A causa del potere penetrante dei raggi X, passano attraverso l'oggetto e l'intensità del raggio di attenuazione è una funzione dell'energia del fascio di raggi X, della composizione chimica dell'oggetto (il numero atomico degli elementi presenti) e della densità del materiale. Dato uno spettro di energia costante e una composizione costante del materiale del legno, l'attenuazione del fascio di raggi X dipende fortemente dalla densità del materiale, il che spiega il suo utilizzo per la densitometria. L'attenuazione (o trasmissione) può essere espressa dalla legge di Beer-Lambert:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65208/65208eq01.jpg" style="margin: auto;">
con I0 il fascio di raggi X in arrivo in modo esponenziale, che decade in un fascio di raggi X trasmesso Id quando si propaga attraverso il materiale su una distanza d. Il coefficiente di attenuazione lineare μ dipende da una serie di interazioni con il materiale dell'oggetto. Le proiezioni sono quindi registrazioni del raggio trasmesso.
In pratica, l'oggetto viene montato sullo stadio di rotazione, vengono selezionati un SOD e un SDD adeguati, viene selezionata anche una certa potenza (relativa alle dimensioni, alla densità e alla composizione dell'oggetto) e l'oggetto viene ruotato di 360° e durante tale rotazione vengono effettuate più proiezioni. Queste proiezioni vengono poi utilizzate per ricostruire la struttura interna dell'oggetto. Sono disponibili diversi algoritmi di ricostruzione, di cui i più utilizzati si basano ancora sul framework analitico sviluppato decenni fa, basandosi sulla trasformazione del Radon e sul teorema della fetta di Fourier. Per maggiori dettagli si rimanda alla letteratura specializzata36.
Enigma della risoluzione, del volume dei dati e della dimensione del campione: la risoluzione è fondamentale nella scansione TC a raggi X. Nei sistemi con geometria inversa o con geometria del fascio parallelo come le linee di luce di sincrotrone, altre considerazioni giocano un ruolo. Questo protocollo si occupa solo della scansione TC a raggi X standard da laboratorio con geometria a fascio conico. In questo caso, il concetto di ingrandimento, la dimensione dei pixel del rivelatore e la dimensione dello spot sono essenziali. L'ingrandimento è definito come il rapporto tra SDD/SOD. Inoltre, anche la dimensione dei pixel del rivelatore influisce ovviamente sulla risoluzione: più piccola è la dimensione dei pixel, maggiore è la risoluzione, ma nella maggior parte dei casi il campo visivo (FoV) è anche direttamente correlato alla dimensione dei pixel e alla dimensione del rivelatore (dimensione dei pixel più piccola, FoV più piccolo per lo stesso numero di pixel). Inoltre, anche la dimensione del fascio di raggi X è importante: maggiore è la dimensione del punto, minore è la risoluzione, il che significa che è possibile vedere meno dettagli.
È importante considerare che si potrebbe ottenere una risoluzione superiore a quella possibile secondo i limiti sopra menzionati, quindi è meglio usare il termine dimensione del voxel (un voxel è un pixel di volume) invece di risoluzione. Inoltre, ci sono altri fattori in gioco, come la nitidezza del rivelatore, che limitano ulteriormente la vera risoluzione con cui un oggetto viene scansionato. Solo una vera calibrazione del sistema, utilizzando obiettivi stabiliti, fornisce la risposta veritiera.
Nella maggior parte dei casi, tuttavia, la dimensione del voxel con cui un oggetto può essere scansionato è per lo più limitata dalle dimensioni dell'oggetto. Ciò significa che più grande è l'oggetto, minore sarà la dimensione del voxel. Se l'oggetto non rientra nel FoV del rivelatore per una certa dimensione del voxel, la dimensione del voxel può essere ridotta, ad esempio limitando l'ingrandimento.
Il tempo di scansione e il volume dei dati sono importanti da considerare quando si decide la dimensione del voxel desiderata. In generale, più piccola è la dimensione del voxel e maggiore è il dettaglio che si desidera visualizzare, più piccolo è il campione o meno campioni possono essere scansionati contemporaneamente, più tempo è necessario e maggiori saranno i volumi di dati raccolti. Immaginate il seguente esempio teorico: si può scansionare un campione di 10 cm x 10 cm x 10 cm a 50 μm contemporaneamente con un certo sistema CT a raggi X e si desidera scansionare lo stesso volume a 10 μm, il volume che rientra nel FoV sarebbe solo 2 cm x 2 cm x 2 cm, supponendo che ciò sia fisicamente possibile. Ciò significa che sono necessarie 125 scansioni (5³ = risoluzione 5 volte superiore, scala alla potenza di 3 a causa della natura volumetrica della tecnica di imaging) per coprire l'intero volume e che il volume dei dati aumenterebbe allo stesso modo. Naturalmente, questo è solo un esperimento mentale, e bisogna considerare molto di più della semplice risoluzione. Per ulteriori informazioni, si rimanda il lettore a una panoramica delle possibilità di scansione37.
Flessibilità degli strumenti per la scansione di oggetti in legno: nell'ultimo decennio, molte aziende hanno fornito sistemi CT a raggi X con un assemblaggio simile a quello dell'HECTOR35. Una panoramica di diversi sistemi TC, valutati in particolare per la loro risoluzione temporale, è fornita in38.
Nel complesso, la flessibilità e la facilità d'uso dei sistemi TC a raggi X sono migliorate notevolmente. Molti sistemi consentono la scansione di una vasta gamma di oggetti, come nel caso dei sistemi dell'UGCT. Il protocollo seguente è dimostrato per il sistema HECTOR, che è adatto per l'analisi degli anelli degli alberi. Il protocollo, tuttavia, è valido per qualsiasi altro sistema disponibile se la risoluzione e il formato dei dati lo consentono.
Questi sistemi consentono la scansione di una varietà di oggetti. Nella Figura 3 sono riportate alcune immagini di diversi oggetti in legno scansionati con il sistema HECTOR. È questa flessibilità che comprende le tre scale che presentiamo nella Figura 1, che vanno da una risoluzione grossolana a una risoluzione molto fine.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65208/65208fig03.jpg"> Figura 3. Esempi di configurazione della scansione. (A) Un tronco, (B) un violoncello49, (C) portacampioni (tipo 1) con nuclei ad albero per la scansione in batch e (D) portacampioni di tipo 2 con nuclei incrementali per la scansione elicoidale montati sullo stadio di rotazione di HECTOR. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65208/65208fig03large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>6 mm paper straws&#160;</td>
			<td>http://artstraws.com/education/product/artstraws-thick-asst-cols/</td>
			<td></td>
			<td>Coring</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aluminium core holders</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ASTM standard ASTM D 1107 &#8211; 96</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cardboard postal tubes</td>
			<td>https://www.rajapack.co.uk/envelopes-mailing-bags/postal-tubes/1-5-2mm-brown-cardboard-postal-tubes_PDT05623.html</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Column drill</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Computer hardware for reconstruction and analysis</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>X-ray CT scanning</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cooling&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Drying oven</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flask for under soxhlet (2000 ml)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Floral foam</td>
			<td>https://www.oasisfloral.eu/</td>
			<td></td>
			<td>Sample holder type 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass beads to fill void volume of Soxhlet to save solvent</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glue</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hot water bath&#160;</td>
			<td>https://www.memmert.com/products/water-baths/water-bath/#!filters=%7B%7D</td>
			<td></td>
			<td>Soxhlet extraction</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Increment borer&#160;</td>
			<td>https://haglofsweden.com/project/increment-borers/</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic cylinder&#160;</td>
			<td>Moonen et al. 2022&#160;</td>
			<td></td>
			<td>Sample holder type 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic cylinders</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reservoir</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tailored soxhlet apparatus&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Toluene&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water pump&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>X-ray CT scanner</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

tree core analysis with x-ray computed tomography

Viene presentata una toolchain di tomografia computerizzata a raggi X (CT) per ottenere la larghezza degli anelli degli alberi (TRW), la densità massima del legno tardivo (MXD), altri parametri di densità e i dati quantitativi di anatomia del legno (QWA) senza la necessità di un laborioso trattamento superficiale o di alcuna preparazione fisica del campione. L'attenzione si concentra sui nuclei di incremento e sulle procedure di scansione con risoluzioni che vanno da 60 μm fino a 4 μm. Vengono definite tre scale in cui il legno dovrebbe essere esaminato: (i) scala inter-anello, (ii) scala ad anello, cioè scala di analisi degli anelli degli alberi e densitometria, nonché (iii) scala anatomica, quest'ultima che si avvicina alla qualità convenzionale della sezione sottile. I portacampioni progettati su misura per ciascuna di queste bilance consentono la scansione ad alta produttività di più nuclei di incremento. Una serie di routine software sono state sviluppate specificamente per trattare in modo efficiente le immagini TC tridimensionali a raggi X dei nuclei degli alberi per TRW e densitometria. Questo lavoro spiega brevemente i principi di base della TC, necessari per una corretta comprensione del protocollo. Il protocollo è presentato per alcune specie conosciute che sono comunemente usate in dendrocronologia. La combinazione di stime approssimative della densità, dati TRW e MXD, nonché dati quantitativi di anatomia, ci consente di ampliare e approfondire le analisi attuali per le ricostruzioni climatiche o la risposta degli alberi, nonché di sviluppare ulteriormente il campo della dendroecologia/climatologia e dell'archeologia.

Wood density is an easy-to-measure variable1 that reflects both the anatomical and chemical properties of the wood2. In biomass estimations of aboveground biomass, wood density is an important weighing variable 3,4,5, that is multiplied with the dimensions of the tree and a factor representing the carbon content of the wood. Wood density is tightly linked to the mechanical properties of timber6 and reflects the life history of a tree7.
Cell wall density is measured as being approximately 1500 kg/m&#179; and is considered fairly constant8, however intra-ring cell wall density variations should be considered as well8,9.Woody cells (in general tracheids in conifers, vessels, parenchyma and fibers in hardwoods) are oriented/shaped in different ways and cell wall thickness and lumen size of these cells varies10. Therefore, wood density varies between trees, within a tree (axial and transversal) and within short intervals within a tree ring11,12. In many cases the wood density variation at the ring scale also delimits the tree ring boundary13. Wood density and ultimately tissue fractions are generated and in this paper are broadly put into three categories (i.e., three different resolution scales), depending on the study goal (Figure 1) as described below.
Inter-ring scale: By measuring pieces of wood, a single value is obtained for that sample. This can be done through water immersion or geometrically14. This way, general biomass or wood technological variables can be obtained. To include pith-to-bark variation, these pieces of wood can be further divided into blocks that are measured manually to obtain information on the life history strategy15. When switching to low-resolution X-ray CT such as in medical scanners17,18, TRW data on medium-to-wide rings can be made in an efficient way on many samples18,19,20. This is also the scale that can be used to assess biomass from pith-to-bark from both temperate and tropical trees4,22, typically ranging in resolutions from 50 &#181;m to 200 &#181;m.
Ring scale: Wood is a recorder of past environmental conditions. The best known parameter is tree-ring width (TRW), but for global temperature reconstructions, maximum latewood density (MXD) records are proven to be a better proxy for temperature22. MXD is an easy-to-measure variable23, and a proxy for cell wall thickness and cell size on the last cells of a tree ring, and are at tree line and boreal sites positively linked to seasonal air temperature24: the warmer and longer the summers, more cell wall lignification occurs which thus increases the density of these last cells. Traditional measurements such as immersion and geometry are less accurate to determine this ring-level density. A previous work developed a toolchain for using X-ray film on thin-cut samples25. This sparked a revolution in both forestry and later paleoclimatology15,18, defining maximum latewood density (MXD), i.e., the peak density value often at the end of a ring, as a proxy for summer temperature. The basic principle is that the samples are sawn (approximately 1.2 mm to 7 mm13) to be perfectly parallel to the axial direction, and the sample is put on a sensitive film exposed to an X-ray source. Then these radiography films are read out through a light source that detects the intensity and saves the profiles and the annual tree ring parameters. These tools, however, require a significant amount of sample preparation and manual work. Recently this has been developed for X-ray CT in a more standardized way or based on mounted cores26. Resolution here ranges between 10 &#181;m and 20 &#181;m. TRW is measured on this scale as well, especially when dealing with smaller rings.
Anatomical scale: At this scale (resolution &#60; 4 &#181;m), the average density levels become less relevant as the main anatomical features are visualized and their width and proportions can be measured. Typically, this is done through making microsections or high-resolution optical scans or &#181;-CT scans. When the ultrastructure of the cell walls needs to be visualized, scanning electron microscopy is the most commonly used method27. At the anatomical scale, the individual tissue fractions become visible so that physiological parameters can be derived from the images. Based on the individual anatomical parameters and the cell wall density of wood, anatomical density can be derived for comparison with conventional estimators of wood density24.
Due to improved sectioning techniques and image software29,30, dendro-anatomy30 has been developed to have a more accurate record of the wood, both to have a closer estimate of the MXD in conifers and to measure several anatomical variables from broadleaf trees. On this scale, actual anatomical parameters are measured and related to environmental parameters31 . With &#181;CT this level can be obtained as well32,33.
As wood is inherently hygroscopic and anisotropic, wood density needs to be carefully defined and the measurement conditions need to be specified, either as oven-dry, conditioned (typically at 12% moisture content) or green (as felled in the forest)34. For large samples and technical purposes, wood density is defined as the weight divided by its volume at given conditions. However, the value of wood density is strongly dependent on the scale at which it is measured, for instance from pith-to-bark wood density can double, and on a ring scale (in conifers) the transition of earlywood to latewood results in a significant rise in wood density as well, with a peak at the ring boundary.
Here, an X-ray CT scanning protocol of increment cores is presented in order to measure features at the aforenoted 3 scales (Figure 1). Recent developments in X-ray CT can cover most of these scales, due to a flexible set-up. The research goals will determine the eventual protocol for scanning.
A crucial limiting factor (which is inherently connected to the scaled nature of wood density and wood in general) is the resolution and time necessary for scanning. Examples demonstrate how to: (i) obtain inter-ring tree scale wood density profiles for biomass estimations in Terminalia superba from the Congo Basin, (ii) obtain density records from Clanwilliam cedar (Widdringtonia cedarbergensis) based on helical scanning on a HECTOR system35, and (iii) measure vessel parameters on sessile oak, on the Nanowood system.&#160;Both scanners are part of the suite of scanners at the UGent Center for X-ray Tomography (UGCT,
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65208/65208fig01.jpg" /> 
Figure 1: General methodological decision tree for X-ray CT scanning. The rows indicate the steps to take, starting from the research goal all the way to the final data format. White boxes are the steps that are relevant for this toolchain. Greyed-out boxes are steps that can be performed with other software or R packages, such as dplr47 and Treeclim48 for tree-ring analysis, and ROXAS44 as well as ImageJ42 or other (commercial) applications for deriving wood anatomical parameters based on the CT images. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65208/65208fig01large.jpg" target="_blank">Please click here to view a larger version of this figure.</a>
X-CT research on wood 
Set-up of a scanner: A standard X-ray CT scanner consists of an X-ray tube, an X-ray detector, a rotation stage, and a set of motors to move the rotation stage, and in most cases also the detector, back and forth (Figure 2).
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65208/65208fig02.jpg" /> 
Figure 2. The HECTOR scanning system. The system35, showing the source detector distance (SDD) and the source object distance (SOD). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65208/65208fig02large.jpg" target="_blank">Please click here to view a larger version of this figure.</a>
Most lab-based systems have a cone-beam geometry, which means that the produced X-rays are distributed from the tube&#39;s exit window in a cone-beam shape, implying that by changing the distance between the object and the tube (SOD = Source-Object-Distance) and the detector and the tube (SDD = Source-Detector-Distance), the magnification is controlled (see the discussion on resolution). Due to the penetrating power of X-rays, they pass through the object, and the intensity of the attenuation beam is a function of the energy of the X-ray beam, the chemical composition of the object (the atomic number of the elements present) and the density of the material. Given a constant energy spectrum&#160;and a constant material composition of wood, the attenuation of the X-ray beam is highly dependent on the density of the material, which explains its use for densitometry. The attenuation (or transmission) can be expressed by the Beer-Lambert law:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65208/65208eq01.jpg" style="margin: auto;" />
with I0 the incoming X-ray beam exponentially which decays to a transmitted X-ray beam Id when propagating through the material over a distance d. The linear attenuation coefficient &#181; depends on a series of interactions with the material of the object. The projections are thus recordings of the transmitted beam.
Practically, the object is mounted on the rotation stage, a proper SOD and SDD are selected, a certain power is selected as well (related to object size, density, and composition) and the object is rotated 360&#176; and during that rotation multiple projections are taken. These projections are then used to reconstruct the interior structure of the object. There are several reconstruction algorithms available, of which the most used ones are still based on the analytical framework developed decades ago, relying on the Radon transformation and the Fourier slice theorem. For more details, the reader is referred to specialized literature36.
Conundrum of resolution, data volume and sample size: Resolution is key in X-ray CT scanning. In systems with inverse geometry, or parallel beam geometry such as synchrotron beamlines, other considerations play a role. This protocol only discusses standard lab-based X-ray CT scanning with cone-beam geometry. Here, the concept of magnification, detector pixel size and spot size are essential. Magnification is defined as the ratio of SDD/SOD. Next, the pixel size of the detector obviously also impacts the resolution: the smaller the pixel size, the higher the resolution, but in most cases the field of view (FoV) is also directly related to pixel size and size of the detector (smaller pixel size, smaller FoV for the same number of pixels). Further, the spot size of the X-ray beam is also important: the larger the spot size, the lower the resolution, which means that less details can be seen.
It is important to address that one could obtain a resolution that is higher than what is possible according to the abovementioned limits, therefore it is better to use the term voxel size (a voxel is a volume pixel) instead of resolution. Moreover, there are other factors at play, such as detector sharpness, which further limit the true resolution at which an object is scanned. Only a true calibration of the system, using established targets, supplies the truthful answer.
In most cases, however, the voxel size at which an object can be scanned is mostly limited by the size of the object. This means that the larger the object, the lower the voxel size will be. If the object does not fit within the FoV of the detector for a certain voxel size, then the voxel size can be reduced, e.g., by limiting the magnification.
Scan time and data volume are important to consider when deciding the desired voxel size. In general, the smaller the voxel size means the higher the detail one wants to see, the smaller the sample or the fewer samples that can be scanned at once, more time is required and larger the data volumes will be collected. Imagine the following theoretical example: one can scan a sample measuring 10 cm x 10 cm x 10 cm at 50 &#181;m at once with a certain X-ray CT system and would like to scan that same volume at 10 &#181;m, the volume that fits within the FoV would only be 2 cm x 2 cm x 2 cm, assuming that this is physically possible. This means that 125 scans are needed (5&#179; = 5 times higher resolution, scales to the power of 3 due to the volumetric nature of the imaging technique) to cover the entire volume, and that the data volume would increase likewise. Of course, this is only a thought experiment, and one needs to consider much more than only resolution. For more information, the reader is referred to an overview of the scanning possibilities37.
Flexibility of instruments for scanning of wooden objects: In the last decade, many companies have delivered X-ray CT systems with a similar assembly as HECTOR35. An overview of several CT systems, especially assessed for their temporal resolution, is given in38.
In all, the flexibility and user-friendliness of X-ray CT systems has improved considerably. Many systems allow scanning of a diverse range of objects, which is also the case with the systems at UGCT. The protocol below is demonstrated for the HECTOR system, which is suitable for tree-ring analysis. The protocol however is valid for any other available system if resolution and data format allows for it.
These systems allow the scanning of a variety of objects. A few pictures of different wooden objects scanned with the HECTOR system are given in Figure 3. It is this flexibility that comprises the three scales we present in Figure 1, ranging from a coarse resolution to a very fine resolution.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65208/65208fig03.jpg" /> 
Figure 3.&#160;Scanning set-up examples. (A) A log, (B) a cello49, (C) sample holders (type 1) with tree cores for batch scanning and (D) sample holder type 2 with increment cores for helical scanning mounted on the rotation stage of HECTOR. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65208/65208fig03large.jpg" target="_blank">Please click here to view a larger version of this figure.</a>

Autore in primo piano: Progressi nella catena di strumenti CT a raggi X per l'analisi delle carote degli alberi

Analisi del nucleo dell'albero con tomografia computerizzata a raggi X

The scope of my research is to study wood growth and its response to climate. The questions I'm trying to answer is, how can we reconstruct the climate of the past and what is the tree response to current climate change? So the current experimental challenges that we face are among others, the large data volumes that we obtain with x-ray CT scanning.So we need to find a proper balance between the number of samples that we want to scan and the required resolution. The X-ray CT techniques has allowed us to scan three core at an unprecedented rate. We have density profiles both from tropical and temperate regions.So the main advantages that we have with our technique is that we can do a lot of high throughput scanning and analysis, but also that all the indications and manipulations that we do are traceable along the entire tool chain, including the tree ring indications. This tool will allow us to update current to maximum later density chronologies, and also measure wood properties on tree course from all over the world, especially in regions where there's little data available.

Se l'obiettivo è la stima della biomassa o l'incremento della crescita degli alberi di molti campioni, ad esempio la scala tra gli anelli (Figura 1), il supporto del campione 1 (Figura 5) viene utilizzato per scansionare i campioni per ottenere profili di densità (vedere il passaggio 5.4.3) e stime della crescita degli alberi, ad esempio per alberi a crescita rapida con TRW di grandi dimensioni, che consente una risoluzione più grossolana. <strong class="xfig...

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Qui mostriamo come elaborare i nuclei degli alberi con una toolchain di tomografia computerizzata a raggi X. Fatta eccezione per l'estrazione chimica per alcuni scopi, non sono necessari ulteriori trattamenti fisici di laboratorio. La toolchain può essere utilizzata per le stime della biomassa, per ottenere dati MXD/larghezza degli anelli degli alberi e per ottenere dati quantitativi sull'anatomia del legno.

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

Lo scopo della mia ricerca è studiare la crescita del legno e la sua risposta al clima. La domanda a cui sto cercando di rispondere è: come possiamo ricostruire il clima del passato e qual è la risposta degli alberi agli attuali cambiamenti climatici? Quindi le attuali sfide sperimentali che dobbiamo affrontare sono, tra le altre, i grandi volumi di dati che otteniamo con la scansione TC a raggi X.Quindi dobbiamo trovare un giusto equilibrio tra il numero di campioni che vogliamo scansionare e la risoluzione richiesta. Le tecniche di TC a raggi X ci hanno permesso di scansionare tre nuclei a una velocità senza precedenti. Abbiamo profili di densità sia dalle regioni tropicali che da quelle temperate.Quindi i principali vantaggi che abbiamo con la nostra tecnica è che possiamo fare molte scansioni e analisi ad alta produttività, ma anche che tutte le indicazioni e le manipolazioni che facciamo sono tracciabili lungo l'intera catena degli strumenti, comprese le indicazioni degli anelli degli alberi. Questo strumento ci consentirà di aggiornare le cronologie di densità attuali al massimo e di misurare le proprietà del legno sul percorso degli alberi di tutto il mondo, specialmente nelle regioni in cui ci sono pochi dati disponibili.

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Tree Core Analysis with X-ray Computed Tomography

728 Views.  University of Liège. Lo scopo della mia ricerca è studiare la crescita del legno e la sua risposta al clima. La domanda a cui sto cercando di rispondere è: come possiamo ricostruire il clima del passato e qual è la risposta degli alberi agli attuali cambiamenti climatici? Quindi le attuali sfide sperimentali che dobbiamo affrontare sono, tra le altre, i grandi volumi di dati che otteniamo con la scansione TC a raggi X.Quindi dobbiamo trovare un giusto equilibrio tra il numero di campioni che vogliamo sc...

Video: Autore in primo piano: Progressi nella catena di strumenti CT a raggi X per l'analisi delle carote degli alberi

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

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

Ricerca

Ambiente

Tree Core Sampling for X-ray Computed Tomography

To begin, core a tree using a Pressler borer. Put the tree cores, unglued, into six-millimeter paper straws and mark the straws using a pencil. Fill the round-bottom flask with solvent and place the straw onto a stainless steel support in the Soxhlet apparatus with a cooler on a laboratory heater.After siphoning, dry the cores for 24 hours in an oven at 103.5 degrees Celsius under exhaust ventilation. The next day, perform a hot-water Soxhlet extraction for 24 hours. Place the samples in the steel sample holders and dry them again for 24 hours.Then place the cores from the steel sample holder back in the straws.

Campionamento di carote di alberi per tomografia computerizzata a raggi X

Optimizing Scanning Techniques for Biomass Estimation, Tree Growth, and Anatomical Analysis at Different Scales

To begin core scanning, depending on the research purpose, select the proper sample holder type, load the tree cores in paper straws into the sample holder, and record the position of each core in the downloadable spreadsheet template. Perform X-ray micro CT scanning following proper settings and scanning protocol. To obtain density values, install CoreProcessor, RingIndicator, and CoreComparison toolboxes using the given link.Next for pre-processing the core volumes with the CoreProcessor, select the folder with the reconstructed 16-bit cross-sectional TIFF slices in the spreadsheet file. Select a couple of slices for inspection. Then select dark and white references as indicated in the spreadsheet file for wood density calculations.In a new popup window, following the information from the spreadsheet file, select every core separately by drawing a circle or ellipse around it. Then click on Mass core extraction to extract all the cores in a given cylinder. In the CoreProcessor toolbox, click on Manual TG correction then select the extracted folder and ensure proper orientation of the transversal and radial plane of every core volume.To visualize grain direction from the bottom right plot, observe the presented slice and draw a line indicating grain direction. Double click to automatically rotate the core. Then crop the core volume to get only wood and no other material.Open the RingIndicator toolbox and select a multi-page TIFF file. Then under a Volume tab, inspect the graphical user interface in the transverse and radial plane. For structural correction on the transverse and radial plane, click on the image to insert green bars starting with the pith and ending with the most recent ring.Once a green bar is placed on one plane, it automatically generates on other planes. Click Densitometry, then Densitometry plot to calculate the density profile. Create and plot a density profile by selecting Overlay plotting, and then Plot density profile.Once the density profile is visualized, indicate all tree rings. Move the nodes at the end of the bar to change the angle. Then change the bar position using the middle node and adjust the size of the nodes.Press Data, then Export. Press Rings followed by Export rings to ensure ring and fiber indications are written in the proper txt files. Change the felling date to the year when the cores were taken from the living trees, or choose an appropriate date.In Overlay plotting, select Plot rings to display the years. Also choose the plane to plot rings or the density profile. After indicating two cores, open the CoreComparison toolbox for comparing the ring width series.Select the txt files to compare. Then a screen displaying ring widths and cross dating and statistical parameters, such as glysophikite and spearman correlation between individual series will open. Open a ring indicator instance to adjust the green bars and export them again.Then maximize the core comparison screen and press the Refresh button to reevaluate the metrics. Next, select Plotting and exporting, then Ring width to visualize the tree ring width or TRW data. Click Clotting and exporting, then export RW data to export TRW data in a spreadsheet or Tucson format.Finally, select the Other plotting, then Export cluster data for obtaining mean density, MXD, MND, and quartile data per tree ring. This study demonstrates three levels of biomass estimation or tree growth increment at the inter ring, ring, and anatomical scale. Radial and axial wood density trends in Terminalia superba demonstrated an increasing density trend from pith to bark and a higher wood density in the upper stem.An example of chronology development with minimum density and maximum latewood density from Widdringtonia cedarbergensis is shown. A high resolution oak core scan demonstrated that earlywood and latewood vessels are segmented.