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.

Dikkat: bir X-ışını tomografi çalışması genel radyasyon eğitimi ve araca özgü radyasyon güvenliği eğitimi gerektirir. deneycinin laboratuarına ilgili tüm ilgili prosedürleri takip edilmelidir. 1. Kök Görüntüleme Not: Bu kademe, bir boru şekilli plastik bir kap içinde orijinal toprağın içinde tutulan bir çim numunenin görüntüleme (40 mm çapında, 210 mm yüksekliğinde ve yaklaşık olarak 2 mm duvar kalınlığı olan bir plastik boru) tarif etmektedir. <ol><li> Hedef büyütme için istenen bir mesafede aletin örnek manipülatör üzerine saksı bitki yerleştirin. 2 inç çaplı bir tutucunun bir bitki, kaynak mesafe örnek yaklaşık 3 inç (7 cm) olmalıdır. </li><li> Optimum renk (gri düzeyi) dedektör görüntüdeki kontrast elde etmek için X-ışını tarama ayarlarını yapın. Not: Bu ayarlar kullanılan alet kontrol yazılımı mevcuttur. <ol><li> Set X-ışını güç ayarları; 85 kV ve 190 uA bu sınavda kullanılanple. </li><li> pozlama süresini ayarlayın. Burada, 1 saniye nispeten uzun bir maruz kalma süresi daha iyi bir sinyal-gürültü oranı için kullanılmıştır. </li><li> projeksiyon başına projeksiyonlar ve kare sayısını ayarla; 3142 projeksiyonlar toplam projeksiyon başına 4 kare iyi veri istatistikleri için önerilmektedir. </li><li> &quot;Gölgelendirme düzeltme&quot; sekmesini seçerek ve &quot;Oluştur&quot; tıklayarak yukarıda belirtilen ölçüm koşulları kullanılarak bir gölgeleme düzeltme çalıştırın. Not: X-ışını akı sabit bir set ile aydınlatılmış zaman gölgeleme düzeltme görüntüleme cihazın piksel tepki varyasyon dengeler. süreç X-ray ışını ile birlikte (ışın yolundan kaldırılır örnek ile) açık ve kiriş kapalı olan boş görüntüleri alır. Bu düzeltme toplanan tüm görüntülere uygulanır. </li><li> (Ayrıca &quot;modunu mekik&quot; olarak adlandırılır) &quot;halka eserler küçült&quot; seçeneğini seçin; projeksiyon görüntüleri elde iken örnek açısal adımlarla döndürülür. Bu DAT yol açardaha yavaş bir hızda bir satın alma, ancak halka eserler ortadan kaldırılmasına yardımcı olur. </li><li> Toplama sekmesi altındaki &quot;Edinme&quot; butonuna tıklayarak taramayı başlatın (yukarıda özetlenen ayarlarla, resim kolleksiyonu yaklaşık 4 saat sürecektir). </li></ol></li></ol> 2. Veri İmar Not: Bu bölüm, ham görüntüleri (BT taraması grafiler) 3 boyutlu hacimli veri yeniden tanımlamaktadır. <ol><li> programına ham veri yüklemek. </li><li> Emin örnek kıpırdamadı veya tarama ayarları, veri toplama sırasında değişmedi yapan ilk ve son görüntüyü karşılaştırın (son görüntü numunenin 360 o dönüşten sonra alınır gibi neredeyse aynı olmalıdır). </li><li> &quot;Merkez dönme&quot; sekmesini seçerek ve &quot;Başlat&quot; tıklayarak dönme merkezi (COR) hesaplayın; kullanım seçenekleri &quot;Otomatik&quot; COR &quot;Yüksek Kalite&quot; doğruluk ve &quot;Çift&quot; (üst ve alt) dilim s ile bulmaCOR hesaplanması için seçim. </li><li> yeniden inşa edilmesi örnek birimi seçin: &quot;Ses&quot; sekmesini seçin ve küçük resimler kullanarak ses seçim pencereleri düzenleyin. </li><li> &quot;Başlat&quot; tıklayarak 3D verileri içeren ses dosyası oluşturmak için yeniden gerçekleştirin. </li></ol> 3. Veri İşleme / segmentasyon Not: Bu bölüm, adım sadece ikili bir görüntü yığını üretmek için herhangi bir çevreleyen malzeme kökleri topraktan dallara ve izole kökler izlemek için bir program RooTrak daha fazla işlem için yeniden kurulmuş verileri hazırlamak için alınacak tarif kök kendisi. <ol><li> ImageJ hacimli veri işlenmesi bir RooTrak işlenebilir görüntü yığını hazırlamak için: <ol><li> ImageJ içine ses dosyasını yükleyin. </li><li> Parlaklık ve kontrast ayarlarını ayarlayarak kök ve toprak arasındaki görüntü kontrastını optimize (/ Parlaklık / Kontrast ayarlama / Görüntü tıklayın). görüntü içinde ilgi bölge görünür ve c olduğundalearly ayırt ayarları optimize sayılır. </li><li> jpeg, bmp, veya png formatında bir görüntü yığını olarak kaydedin. </li></ol></li><li> segmentine kök için RooTrak işleme: <ol><li> RooTrak içine yük görüntü yığını ( &quot;Araçlar&quot; sekmesine gidin ve basın &quot;İzleyici&quot;). </li><li> root içinde ayarla tohum noktaları: hacimli veri üstten görünümü dilim görünür ilgili kök bölümlerin her birinin içine birkaç puan tıklayın. </li><li> Set izleyici parametreleri &quot;Yumuşaklık&quot; ve sırasıyla 0.3 ve 0.8, için &quot;Benzerlik&quot;. </li><li> izleme fonksiyonunu çalıştırın. Bu üst görüntü dilim alt dilime tüm yol kök takip edecektir. </li><li> hacimli verileri inceledikten sonra, kullanılabilir veri hacmine göre dilim sayısını seçin; Bu durumda, izleme kök sınırları (paletli kök görüntü toprağın o karışmasına başladı) kötü tanımlanmış oldu 6.2 mm derinliğe eşdeğer, 200 dilim durduruldu. Not:üretilen görüntü yığını çıkış dizin oluşturulan her yerde otomatik olarak kaydedilir. </li></ol></li></ol> 4. Hacim ve Yüzey Analizi Not: Bu adım RooTrak tarafından oluşturulan görüntü yığından isosurface örgü üretimini açıklar. <ol><li> ImageJ bir ikili görüntü biçime RooTrak görüntü yığını dönüştürün. &quot;Süreç&quot;, daha sonra &quot;İkili&quot;, sonra &quot;İkili olun&quot; seçeneğini seçin. </li><li> üçgen örgü oluşturmak için açık kaynak ImageJ eklentisi, BoneJ kullanın; ImageJ &quot;Eklentiler&quot;, sonra &quot;BoneJ&quot;, ardından &quot;Isosurface&quot; seçeneğini seçin. </li><li> sırasıyla 6 ve 120, (Varsayılan ayarlar) için &quot;yeniden örneklemeyi&quot; ve &quot;Eşik&quot; olarak ayarlayın. &quot;Göster yüzeyi&quot; işaretleyin ve &quot;OK&quot; tuşuna basınız. </li><li> &quot;3D görüntüleyici&quot; daha sonra, daha sonra &quot;İhracat yüzeyler&quot; üzerinde Dosya sekmesine tıklayın &quot;(ikili) STL&quot; olarak kaydedin. </li><li> Açık imeshJ, STL dosyasını seçin ve mikron olarak voksel boyutu girin. Click &quot;Calculate Yüzey Alanı &quot;, Benzer. mm 2 toplam numune kök yüzey alanını kazanmak tıklayın&quot; mm 3 toplam numune kök hacmi elde etmek için hesaplayın Volume &quot;. </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.

X-ışını bilgisayarlı tomografi ve ispat çeşitli açık kaynak program bir arada noninvaziv görüntü bitki kök örnekleri, bölüm kök verileri ve 3D veri kantitatif bilgiler (yüzey alanı ve hacmi) ayıklamak için güçlü bir kombinasyon olmak. özellikleri görselleştirmek ve ölçmek için yeteneğimizi her zaman tarama çözünürlüğü yanı sıra tarafından RooTrak yazılım sınırlamaları ile sınırlıdır. Bununla birlikte, tarama çözünürlüğü bu çalışmada numunenin özelliklerinin ç...

Toprak non-invaziv görüntü kökleri 6, 7 zorlaştırmaktadır çünkü kökleri, rizosfer 2-5 parçası olarak, bitki biyolojisi bir &quot;görünmez&quot; bir bölümünü oluşturmaktadır. Ancak, toprak ortamında kök gelişimini ve etkileşim okuyan anlayış önemlidir root / bitki büyüme ve sırayla ağaçlandırma, gıda güvenliği ve iklim etkiler besin döngüsü. X-ışını bilgisayarlı tomografi (XCT) yerel çevrelerine 8 bitki kök örneklerinin noninvaziv görüntüleme için değerli bir araç olduğunu kanıtlamıştır. Farklı koşullarda kök gelişimi ve boyutsal değişiklikleri ölçmek ve farklı veri setleri / örneklerden verileri karşılaştırmak mümkün olabilmesi için, bir tomografi verilerinden nicel bilgileri ayıklamak gerekiyor. çevredeki toprağın bu kök verilerinin segmentasyon, yani etrafında her şey kök görüntünün izolasyonu (dahil olmak üzere, örneğin, bir komşu bitki) Accu önce kritik bir adımdıroran boyutu analizi yapılabilir. Ancak, basit bir eşikleme yaklaşım kök veriler için genellikle olanaksız olduğunu. Toprakta görüntüleme bitki kökleri ile ilişkili zorluklar kök malzemenin X-ışını zayıflama özellikleri varyasyonları, su ve organik madde nedeniyle kök ve toprak arasında zayıflama değerleri üst üste bulunmaktadır. Bu konular süper Mairhofer ve arkadaşları tarafından son zamanlarda ele alınmıştır. görsel izleme aracı RooTrak 7, 9. başarılı bir segmentasyon sonraki adım kök hacmi ve yüzey alanı doğru belirlenmesidir. Hacim Voksellerden sayısını sayma ve 7&#39;den önce gösterildiği gibi vokseller &#39;boyutu küpü ile çarpımı sonucu tahmin edilebilir. Kök yüzey alanı ve hacmi, daha doğru bir şekilde belirlenmesi için, bölümlere kök sisteminin isosurface Bando küpleri 10 olarak da bilinen bir algoritma kullanarak, üçgen bir kafes ile temsil edilebilir. Açık kaynak ImageJ 11. tahmin edilmesi için kullanılabilirBando Küpleri algoritmasına dayanan e kök hacmi. Bizim bildiğimiz kadarıyla, açık kaynak yazılım sadece sınırlı sayıda santimetre aralığında kök örnekleri için tomografi bazlı hacim / yüzey verilerinin hesaplanması adanmış ve yukarıda şu anda 12 mevcuttur. Biz 13 baktı Bir açık kaynak yazılım kök büyümesi üzerine odaklanır ve tek hücreli çözünürlükte kantitatif hacim analizi sağlayan hücresel özellikleri hedefleniyor. Bütün kök sistemleri 14 adanmış bazı açık kaynak yazılım şekilleri aslında boru şeklinde olduğu yaklaştırılması dayalı küçük çaplı boru şeklindeki kök sistemleri için mükemmeldir. Ancak, 2D görüntüleri ile bazı iş ve 3D 14 yığınlarının idare edemiyoruz. Bu tür ağaçların gibi pürüzlü yüzeylerde ve düzgün olmayan şekiller, kök sistemleri, incelenmiştir Dahası, boru şeklinde şekil yaklaşım geçerli olmayabilir. Başka bir yaklaşım 15 yenilikçi th engellemeyi iki boyutlu (2D) dönme görüntü dizileri kullanıre pahalı CT tarayıcı için gereklidir. Bu, ölçer kayıtları ve görüntüler sistem uzunlukları kök. Biz piyasada 16-18 kullanılabilen tek olanlardan test ettik yazılımı; üçte biri renk analizi 18 dayalı iken, ikinci, bir yaprak alanı ve kök uzunluğu ölçüm aracı 17 olduğunu, 3D görüntü idare edebilmek için 16 yığınlarının görünmüyor. Bu ankete dayanarak, biz 3D tomografi verilerinden olursa olsun şekli kök alan ve hacim yaklaşan bir maliyet gerektirmeyen bir seçenek arzu olduğunu göstermektedir. Serbestçe kullanılabilir RooTrak ve ImageJ Bina, biz Parçalara kök verilerinden oluşturulan bir isosurface örgü (yüzey stereolitografi dosyası) işler hangi (İlave Kod Dosyası bakınız) imeshJ adlı bir programı geliştirdi ve ile kök hacmi ve yüzey alanı hesaplar var örgü üçgen endeksi verilerine basit geometrik hesaplamalar yapıyor. Burada, XBT görüntüleme kullanımını birleştiren bir yöntem raporuüçgen ağdan veri yeniden yapılanma ve görselleştirme (yazılım BT Pro 3D ve VG Studio), 3D veri (açık kaynak yazılım ImageJ ve RooTrak) topraktan numune kök segmentasyon ve yüzey ve hacim bilgilerinin çıkarma (ImageJ ve bilgisayar kodu imeshJ).

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

Bitki kökleri iklim değişikliği ve ürün yönetimi için önemli sonuçları olan kritik rizosferde meydana bitki toprak mikrobu etkileşimlerinde rol gibi işlemleri görüntülemektedir. kendi doğal ortamında kökleri üzerinde nicel boyutu bilgileri kök gelişimini ve bitkileri içeren çevresel süreçleri incelemek için paha biçilmezdir. X-ışını bilgisayarlı tomografi (XCT) in situ kök tarama ve analiz için etkili bir araç olduğu kanıtlanmıştır. Biz üç boyutlu (3D) tomografi verilerinden olursa olsun şekli kök alan ve hacim yaklaşan bir maliyetsiz ve verimli bir araç geliştirmeyi amaçladık. Bir Prairie dropseed kök yapısı (Sporobolus heterolepis) örnek XCT kullanılarak görüntülendi. Kök yeniden inşa edildi ve birincil kök yapısı lisanslı ve açık kaynak yazılım bir arada kullanarak veri elde edildi. Bir isosurface çokgen ağ daha sonra analiz kolaylığı için oluşturuldu. Biz t geliştirdiko örgü kök hacmi ve yüzey alanı hesaplamak için MATLAB 1 oluşturulan uygulama imeshJ, standalone. ImeshJ çıkışları yüzey (mm 2) alanı ve (mm 3) hacim vardır. Kantitatif kökü analiz görüntüleme araçlarından benzersiz bir kombinasyonunu kullanan proses, tarif edilmektedir. ispat Bir XBT kombinasyonu ve açık kaynak kodlu yazılım noninvaziv görüntü bitki kök örnekleri, bölüm kök verileri ve 3D veri kantitatif bilgileri ayıklamak için güçlü bir kombinasyon olmak. 3B verileri işleme Bu metodoloji segmentasyonu ile ortaya çıkan benzer X-ışını zayıflama bileşenleri ve zorluklar arasında bağlantı olduğu diğer malzeme / numune sistemlerine uygulanabilir olmalıdır.

İki oluşan numune yerli çim Prairie dropseed (Sporobolus heterolepis) ve bir yerleşim alanı alınan ve Şekil 1&#39;de görülen küçük bir tüp şeklindeki tutucu yerleştirildi etrafında orijinal toprak kaynaklanıyor. Yeniden veri voksel boyutu yaklaşık 31 oldu mm x 31 mm x 31 mm. Yeniden hacim dosyası açık kaynak görüntü işleme programı ImageJ 1.6 11 kullanılarak seçilen oryantasyon (üst görünüm) görüntülerin bir yığı...

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

Üç boyutlu Kök Sistemleri Metrikleri ayıklanıyor: Hacim ve Yüzey Analizi In-toprak X-ışını Bilgisayarlı Tomografi Data

in-toprak kökenli X-ışını bilgisayarlı tomografi verileri görsel ve kantitatif kök yapısı bilgi edinme için bir metodoloji sunulmuştur.

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 Görüntüleme.  Environmental Molecular Sciences Laboratory.  in-toprak kökenli X-ışını bilgisayarlı tomografi verileri görsel ve kantitatif kök yapısı bilgi edinme için bir metodoloji sunulmuştur. 

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

RGB and Spectral Root Imaging for Plant Phenotyping and Physiological Research: Experimental Setup and Imaging Protocols

Better understanding of plant root dynamics is essential to improve resource use efficiency of agricultural systems and increase the resistance of crop cultivars against environmental stresses. An experimental protocol is presented for RGB and hyperspectral imaging of root systems. The approach uses rhizoboxes where plants grow in natural soil over a longer time to observe fully developed root systems. Experimental settings are exemplified for assessing rhizobox plants under water stress and studying the role of roots. An RGB imaging setup is described for cheap and quick quantification of root development over time. Hyperspectral imaging improves root segmentation from the soil background compared to RGB color based thresholding. The particular strength of hyperspectral imaging is the acquisition of chemometric information on the root-soil system for functional understanding. This is demonstrated with high resolution water content mapping. Spectral imaging however is more complex in image acquisition, processing and analysis compared to the RGB approach. A combination of both methods can optimize a comprehensive assessment of the root system. Application examples integrating root and aboveground traits are given for the context of plant phenotyping and plant physiological research. Further improvement of root imaging can be obtained by optimizing RGB image quality with better illumination using different light sources and by extension of image analysis methods to infer on root zone properties from spectral data.

An experimental protocol is presented for assessment of soil grown plant root systems with RGB and hyperspectral imaging. Combination of RGB image time series with chemometric information from hyperspectral scans optimizes insights into plant root dynamics.

RGB ve bitki fenotipleme ve fizyolojik araştırma için spektral kök görüntüleme: deneysel kurulum ve iletişim kuralları görüntüleme

Better understanding of plant root dynamics is essential to improve resource use efficiency of agricultural systems and increase the resistance of crop ...

Çevre

An Optimized Rhizobox Protocol to Visualize Root Growth and Responsiveness to Localized Nutrients

Roots are notoriously difficult to study. Soil is both a visual and mechanical barrier, making it difficult to track roots in situ without destructive harvest or expensive equipment. We present a customizable and affordable rhizobox method that allows the non-destructive visualization of root growth over time and is particularly well-suited to studying root plasticity in response to localized resource patches. The method was validated by assessing maize genotypic variation in plasticity responses to patches containing 15N-labeled legume residue. Methods are described to obtain representative developmental measurements over time, measure root length density in resource-containing and control patches, calculate root growth rates, and determine 15N recovery by plant roots and shoots. Advantages, caveats, and potential future applications of the method are also discussed. Although care must be taken to ensure that experimental conditions do not bias root growth data, the rhizobox protocol presented here yields reliable results if carried out with sufficient attention to detail.

Visualizing and measuring root growth in situ is extremely challenging. We present a customizable rhizobox method to track root development and proliferation over time in response to nutrient enrichment. This method is used to analyze maize genotypic differences in root plasticity in response to an organic nitrogen source.

Kök büyüme ve yerelleştirilmiş besin kavramaları görselleştirmek için en iyi duruma getirilmiş bir Rhizobox Protokolü

Roots are notoriously difficult to study. Soil is both a visual and mechanical barrier, making it difficult to track roots in situ without destructive ...

Two-Dimensional Visualization and Quantification of Labile, Inorganic Plant Nutrients and Contaminants in Soil

We describe a method for two-dimensional (2D) visualization and quantification of the distribution of labile (i.e., reversibly adsorbed) inorganic nutrient (e.g., P, Fe, Mn) and contaminant (e.g., As, Cd, Pb) solute species in the soil adjacent to plant roots (the &#8216;rhizosphere&#8217;) at sub-millimeter (~100 &#181;m) spatial resolution. The method combines sink-based solute sampling by the diffusive gradients in thin films (DGT) technique with spatially resolved chemical analysis by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS). The DGT technique is based on thin hydrogels with homogeneously distributed analyte-selective binding phases. The variety of available binding phases allows for the preparation of different DGT gel types following simple gel fabrication procedures. For DGT gel deployment in the rhizosphere, plants are grown in flat, transparent growth containers (rhizotrons), which enable minimal invasive access to a soil-grown root system. After a pre-growth period, DGT gels are applied to selected regions of interest for in situ solute sampling in the rhizosphere. Afterwards, DGT gels are retrieved and prepared for subsequent chemical analysis of the bound solutes using LA-ICP-MS line-scan imaging. Application of internal normalization using 13C and external calibration using matrix-matched gel standards further allows for the quantification of the 2D solute fluxes. This method is unique in its capability to generate quantitative, sub-mm scale 2D images of multi-element solute fluxes in soil-plant environments, exceeding the achievable spatial resolution of other methods for measuring solute gradients in the rhizosphere substantially. We present the application and evaluation of the method for imaging multiple cationic and anionic solute species in the rhizosphere of terrestrial plants and highlight the possibility of combining this method with complementary solute imaging techniques.

This protocol presents a workflow for sub-mm 2D visualization of multiple labile inorganic nutrient and contaminant solute species using diffusive gradients in thin films (DGT) combined with mass spectrometry imaging. Solute sampling and high-resolution chemical analysis are described in detail for quantitative mapping of solutes in the rhizosphere of terrestrial plants.

Topraktaki Labile, Inorganik Bitki Besinleri ve Kirleticilerin İki Boyutlu Görselleştirilmesi ve Nicelleştirilmesi

We describe a method for two-dimensional (2D) visualization and quantification of the distribution of labile (i.e., reversibly adsorbed) inorganic ...

Leveraging Micro-CT Scanning to Analyze Parasitic Plant-Host Interactions

Micro-CT scanning has become an established tool in investigating plant structure and function. Its non-destructive nature, combined with the possibility of three-dimensional visualization and virtual sectioning, has allowed novel and increasingly detailed analysis of complex plant organs. Interactions among plants, including between parasitic plants and their hosts, can also be explored. However, sample preparation before scanning becomes crucial due to the interaction between these plants, which often differ in tissue organization and composition. Furthermore, the broad diversity of parasitic flowering plants, ranging from highly reduced vegetative bodies to trees, herbs, and shrubs, must be considered during the sampling, treatment, and preparation of parasite-host material. Here two different approaches are described for introducing contrast solutions into the parasite and/or host plants, focusing on analyzing the haustorium. This organ promotes connection and communication between the two plants. Following a simple approach, details of haustorium tissue organization can be explored three-dimensionally, as shown here for&#160;euphytoid, vine, and mistletoe parasitic species. Selecting specific contrasting agents and application approaches also allow detailed observation of endoparasite spread within the host body and detection of direct vessel-to-vessel connection between parasite and host, as shown here for an obligate root parasite. Thus, the protocol discussed here can be applied to the broad diversity of parasitic flowering plants to advance the understanding of their development, structure, and functioning.

Micro-CT is a non-destructive tool that can analyze plant structures in three dimensions. The present protocol describes the sample preparation to leverage micro-CT to analyze parasitic plant structure and function. Different species are used to highlight the advantages of this method when coupled with specific preparations.

Parazitik bitki-konakçı etkileşimlerini analiz etmek için mikro-BT taramasından yararlanma

Micro-CT scanning has become an established tool in investigating plant structure and function. Its non-destructive nature, combined with the possibility ...

Yüksek Verimli Ağaç Halkası Analizi ve Yoğunluk Tahmini

Tree Core Analysis with X-ray Computed Tomography

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.

Yazar Spotlight: Ağaç Çekirdeği Analizi için X-ray CT Araç Zincirindeki Gelişmeler

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.

X-ray Bilgisayarlı Tomografi ile Ağaç Çekirdeği Analizi

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

Visualization of Failure and the Associated Grain-Scale Mechanical Behavior of Granular Soils under Shear using Synchrotron X-Ray Micro-Tomography

The rapid development of X-ray imaging techniques with image processing and analysis skills has enabled the acquisition of CT images of granular soils with high-spatial resolutions. Based on such CT images, grain-scale mechanical behavior such as particle kinematics (i.e., particle translations and particle rotations), strain localization and inter-particle contact evolution of granular soils can be quantitatively investigated. However, this is inaccessible using conventional experimental methods. This study demonstrates the exploration of the grain-scale mechanical behavior of a granular soil sample under triaxial compression using synchrotron X-ray micro-tomography (&#956;CT). With this method, a specially fabricated miniature loading apparatus is used to apply confining and axial stresses to the sample during the triaxial test. The apparatus is fitted into a synchrotron X-ray tomography setup so that high-spatial resolution CT images of the sample can be collected at different loading stages of the test without any disturbance to the sample. With the capability of extracting information at the macro scale (e.g., sample boundary stresses and strains from the triaxial apparatus setup) and the grain scale (e.g., grain movements and contact interactions from the CT images), this procedure provides an effective methodology to investigate the multi-scale mechanics of granular soils.

The protocol describes procedures to acquire high-spatial resolution computed tomography (CT) images of a granular soil during triaxial compression, and to apply image processing techniques to these CT images to explore the grain-scale mechanical behavior of the soil under loading.

Synchrotron X-Ray Mikro-Tomografi sayarı altında Hatanın Görüntülenmesi ve Taneli Toprakların İlişkili Tane Ölçeğimekanik Davranışı

The rapid development of X-ray imaging techniques with image processing and analysis skills has enabled the acquisition of CT images of granular soils ...

Mühendislik

Three-Dimensional Particle Shape Analysis Using X-ray Computed Tomography: Experimental Procedure and Analysis Algorithms for Metal Powders

Measuring the size distribution of the particles in a powder is a common activity in science and industry. Measuring the shape distribution of the particles is much less common. However, the shape and size of powder particles are not independent quantities. All known size/shape measurement techniques either assume a spherical shape or measure the shape in two dimensions only. The X-ray computed tomography (XCT) based method presented here measures both size and shape in 3D without making any assumptions. Starting from a 3D image of particles, the method can mathematically classify particles according to shape, for example particles composed of several smaller particles welded together as opposed to single particles that are not necessarily spherical. Of course, defining a single number as the &#34;size&#34; or &#34;shape&#34; of a random non-spherical particle is not possible in principle, leading to many ways to estimate particle size and shape via various interlinked parameters, which can all be generated from this complete 3D characterization in the form of averages and distributions. The necessary experimental procedures, mathematical analysis, and computer analysis are described and an example is given for a metal powder. The technique is limited to particles that can be imaged by XCT with a minimum of about 1000 voxels per particle volume.

The size and shape of powder particles are not independent quantities. Usual measurement techniques do not measure these intertwined parameters in three dimensions (3D). A 3D measurement/analysis technique is described, based on X-ray computed tomography, which can measure size and shape and classify powder particles according to both parameters.

Measuring the size distribution of the particles in a powder is a common activity in science and industry. Measuring the shape distribution of the ...

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

High resolution x-ray computed tomography (HRCT) is a non-destructive diagnostic imaging technique with sub-micron resolution capability that is now being used to evaluate the structure and function of plant xylem network in three dimensions (3D) (e.g. Brodersen et al. 2010; 2011; 2012a,b). HRCT imaging is based on the same principles as medical CT systems, but a high intensity synchrotron x-ray source results in higher spatial resolution and decreased image acquisition time. Here, we demonstrate in detail how synchrotron-based HRCT (performed at the Advanced Light Source-LBNL Berkeley, CA, USA) in combination with Avizo software (VSG Inc., Burlington, MA, USA) is being used to explore plant xylem in excised tissue and living plants. This new imaging tool allows users to move beyond traditional static, 2D light or electron micrographs and study samples using virtual serial sections in any plane. An infinite number of slices in any orientation can be made on the same sample, a feature that is physically impossible using traditional microscopy methods.
Results demonstrate that HRCT can be applied to both herbaceous and woody plant species, and a range of plant organs (i.e. leaves, petioles, stems, trunks, roots). Figures presented here help demonstrate both a range of representative plant vascular anatomy and the type of detail extracted from HRCT datasets, including scans for coast redwood (Sequoia sempervirens), walnut (Juglans spp.), oak (Quercus spp.), and maple (Acer spp.) tree saplings to sunflowers (Helianthus annuus), grapevines (Vitis spp.), and ferns (Pteridium aquilinum and Woodwardia fimbriata). Excised and dried samples from woody species are easiest to scan and typically yield the best images. However, recent improvements (i.e. more rapid scans and sample stabilization) have made it possible to use this visualization technique on green tissues (e.g. petioles) and in living plants. On occasion some shrinkage of hydrated green plant tissues will cause images to blur and methods to avoid these issues are described. These recent advances with HRCT provide promising new insights into plant vascular function.

High resolution x-ray computed tomography (HRCT) is a non-destructive diagnostic imaging technique that can be used to study the structure and function of plant vasculature in 3D. We demonstrate how HRCT facilitates exploration of xylem networks across a wide range of plant tissues and species.

Bitki damarları ve Üç Boyutlu Yapı ve Fonksiyon Visualize&#39;a Yüksek Çözünürlüklü Bilgisayarlı Tomografi Kullanımı

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

Üç boyutlu Kök Sistemleri Metrikleri ayıklanıyor: Hacim ve Yüzey Analizi In-toprak X-ışını Bilgisayarlı Tomografi Data

Özet

Daha Fazla Video Keşfet

Bu videodaki bölümler

RGB ve bitki fenotipleme ve fizyolojik araştırma için spektral kök görüntüleme: deneysel kurulum ve iletişim kuralları görüntüleme

Kök büyüme ve yerelleştirilmiş besin kavramaları görselleştirmek için en iyi duruma getirilmiş bir Rhizobox Protokolü

Topraktaki Labile, Inorganik Bitki Besinleri ve Kirleticilerin İki Boyutlu Görselleştirilmesi ve Nicelleştirilmesi

Parazitik bitki-konakçı etkileşimlerini analiz etmek için mikro-BT taramasından yararlanma

X-ray Bilgisayarlı Tomografi ile Ağaç Çekirdeği Analizi

X-ray Bilgisayarlı Tomografi ile Ağaç Çekirdeği Analizi

X-ray Bilgisayarlı Tomografi ile Ağaç Çekirdeği Analizi

Synchrotron X-Ray Mikro-Tomografi sayarı altında Hatanın Görüntülenmesi ve Taneli Toprakların İlişkili Tane Ölçeğimekanik Davranışı

Three-Dimensional Particle Shape Analysis Using X-ray Computed Tomography: Experimental Procedure and Analysis Algorithms for Metal Powders

Bitki damarları ve Üç Boyutlu Yapı ve Fonksiyon Visualize'a Yüksek Çözünürlüklü Bilgisayarlı Tomografi Kullanımı