Name: using high resolution computed tomography to visualize the three dimensional structure and function of plant vasculature
Uploaded: 2013-04-05T13:00:00
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作者希望感谢小号Castorani，AJ旅游Eustis，甘贝塔GA，CM Manuck，Z Nasafi，和A泽丹。这项工作是由美国农业部农业研究服务局的研究现状信息系统的资金（研究项目。5306-21220-004-00先进的光源是支持的，科学办公室主任，办公室基础美国能源部能源科学，合同号DE-AC02-05CH11231）;和NIFA特色作物研究计划，拨款，以AJM。

协议详细说明，下面是专门为工作的先进光源8.3.2光束线。的适应可能需要工作在其他的同步加速器设施。使用这些设施需要适当的安全和辐射培训。 1。样品制备活的植物<ol><li>在〜10厘米直径盆种植植物，并确保主阀杆（或植物的部分，以进行扫描）为中心尽可能和取向在锅中垂直。的物理尺寸的的HRCT仪器双雄在先进光源的限制，活的植物〜1米的高度。因此，成像是最?...

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	<li>Brodersen, C. R., McElrone, A. J., Choat, B., Matthews, M. A., Shackel, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+dynamics+of+embolism+repair+in+xylem:+in+vivo+visualizations+using+high+resolution+computed+tomography.">The dynamics of embolism repair in xylem: in vivo visualizations using high resolution computed tomography.</a> Plant Physiology. 154, 1088-1095 (2010).</li><li>Brodersen, C. R., Lee, E., Choat, B., Jansen, S., Phillips, R. J., Shackel, K. A., McElrone, A. J., Matthews, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+analysis+of+3D+xylem+networks+using+high+resolution+computed+tomography+(HRCT).">Automated analysis of 3D xylem networks using high resolution computed tomography (HRCT).</a> New Phytologist. 191 (4), 1168-1179 (2011).</li><li>Brodersen, C., Roark, L., Pittermann, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+physiological+implications+of+primary+xylem+organization+in+two+ferns.">The physiological implications of primary xylem organization in two ferns.</a> Plant, Cell &amp; Environment. , (2012).</li><li>Brodersen, C., Choat, B., Chatelet, D., Shackel, K. A., Matthews, M. A., McElrone, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conductive+xylem+bridges+contribute+differentially+to+radial+connectivity+in+grapevine+stems+(Vitis+vinifera+and+V.+arizonica).">Conductive xylem bridges contribute differentially to radial connectivity in grapevine stems (Vitis vinifera and V. arizonica).</a> American Journal of Botany. , (2012).</li><li>McElrone, A. J., Jackson, S., Habdas, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydraulic+disruption+and+passive+migration+by+a+bacterial+pathogen+in+oak+tree+xylem.">Hydraulic disruption and passive migration by a bacterial pathogen in oak tree xylem.</a> Journal of Experimental Botany. 59, 2649-2657 (2008).</li><li>McElrone, A. J., Grant, J., Kluepfel, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+ethylene-induced+tyloses+in+canopy+hydraulic+failure+of+mature+walnut+trees+afflicted+with+apoplexy+disorder.">The role of ethylene-induced tyloses in canopy hydraulic failure of mature walnut trees afflicted with apoplexy disorder.</a> Tree Physiology. 30, 761-772 (2010).</li><li>Tyree, M., Sperry, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vulnerability+of+xylem+to+cavitation+and+embolism.">Vulnerability of xylem to cavitation and embolism.</a> Annual Review of Plant Biology. 40 (1), 19-36 (1989).</li><li>Tyree, M., Zimmermann, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Xylem structure and the ascent of sap. , (2002).</li><li>Holbrook, N. M., Zwienieck, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Vascular Transport in Plants. , (2005).</li><li>Mayo, S. C., Chen, F., Evans, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micron-scale+3D+imaging+of+wood+and+plant+microstructure+using+high-resolution+x-ray+phase-contrast+microtomography.">Micron-scale 3D imaging of wood and plant microstructure using high-resolution x-ray phase-contrast microtomography.</a> Journal of Structural Biology. 171, 182-188 (2010).</li><li>Mannes, D., Marone, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+areas+of+synchrotron+radiation+tomographic+microscopy+for+wood+research.">Application areas of synchrotron radiation tomographic microscopy for wood research.</a> Wood Science and Technology. 44, 67-84 (2010).</li><li>Maeda, E., Miyake, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+non-destructive+tracing+with+an+x-ray+micro+ct+scanner+of+vascular+bundles+in+the+ear+axes+at+the+base+of+the+lower+level+rachis-branches+in+japonica+type+rice+(oryza+sativa.">A non-destructive tracing with an x-ray micro ct scanner of vascular bundles in the ear axes at the base of the lower level rachis-branches in japonica type rice (oryza sativa.</a> Japanese Journal of Crop Science. 78 (3), 382-386 (2009).</li><li>Steppe, K., Cnudde, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use+of+x-ray+computed+microtomography+for+non-invasive+determination+of+wood+anatomical+characteristics.">Use of x-ray computed microtomography for non-invasive determination of wood anatomical characteristics.</a> Journal of Structural Biology. 148 (1), 11-21 (2004).</li><li>Zimmermann, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dicotyledonous+wood+structure+(made+apparent+by+sequential+sections).">Dicotyledonous wood structure (made apparent by sequential sections).</a> Encyclopaedia Cinematographica. , (1971).</li><li>Lee, E. F., Brodersen, C. R., McElrone, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+HRCT-derived+xylem+network+reveals+reverse+flow+in+some+vessels.">Analysis of HRCT-derived xylem network reveals reverse flow in some vessels.</a> , (2013).</li><li>McDowell, N. G., Pockman, W. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanisms+of+plant+survival+and+mortality+during+drought:+why+do+some+plants+survive+while+others+succumb.">Mechanisms of plant survival and mortality during drought: why do some plants survive while others succumb.</a> New Phytologist. 178, 719-739 (2008).</li><li>McElrone, A. J., Brodersen, C. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Centrifuge+technique+consistently+overestimates+vulnerability+to+water-stress+induced+cavitation+in+grapevines+as+confirmed+with+high+resolution+computed+tomography.">Centrifuge technique consistently overestimates vulnerability to water-stress induced cavitation in grapevines as confirmed with high resolution computed tomography.</a> New Phytologist. , (2012).</li><li>Lee, K., Avondo, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualizing+plant+development+and+gene+expression+in+three+dimensions+using+optical+projection+tomography.">Visualizing plant development and gene expression in three dimensions using optical projection tomography.</a> Plant Cell. 18, 2145-2156 (2006).</li><li>Truernit, E., Bauby, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-resolution+whole-mount+imaging+of+three-dimensional+tissue+organization+and+gene+expression+enables+the+study+of+phloem+development+and+structure+in+Arabidopsis.">High-resolution whole-mount imaging of three-dimensional tissue organization and gene expression enables the study of phloem development and structure in Arabidopsis.</a> Plant Cell. 20, 1494-1503 (2008).</li><li>Jahnke, S., Menzel, M. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+MRI-PET+dissects+dynamic+changes+in+plant+structures+and+functions.">Combined MRI-PET dissects dynamic changes in plant structures and functions.</a> The Plant Journal. 59, 634-644 (2009).</li><li>Iyer-Pascuzzi, A. S., Symonova, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+and+analysis+platform+for+automatic+phenotyping+and+trait+ranking+of+plant+root+systems.">Imaging and analysis platform for automatic phenotyping and trait ranking of plant root systems.</a> , (2010).</li></ol>

Synchotron HRCT植物生物学家提供一个强大的，非破坏性的工具，探索植物脉管系统的内部运作，在令人难以置信的细节。这项技术已被用来为确定以前描述过的葡萄树木质部的解剖结构的差 ​​异改变木质部网络的连接，不同的葡萄品种（布罗德森等。2012B，出版中） -这种连接可以极大地改变血管病原体和栓子传播的能力破坏性整个木质部网络。第一个成功的扫描活的植物还透露判罚尺度?...

水被输送，从植物的根称为木质部 - 一个网络相互连接的管道，纤维，和生活，代谢活跃的细胞中的血管组织的叶子。必须保持植物的木质部运输功能，提供养分和水分的叶子进行光合作用，生长，并最终生存。水上运输木质部导管可以中断时，的木质部网络受到病原微生物。响应于此类感染植物经常产生凝胶，树胶和侵填体作为一种手段来隔离病原体传播（ 例如 McElrone等人，2008年，2010年）。干旱胁迫也可以限制水的木质部运输。由于植物失去水在长时间的干旱，紧张建立在木质部。在张力下的水是亚（ 即在一个特定阈值的紧张局势变得足够大，空化水木质部导管中的列）。气蚀发生后，可以形成一个气泡（栓塞），并填写在CONDUIT，有效地阻止水的运动（1989年泰里和Sperry），一个在深海潜水员减压病（ 即 “弯曲”）类似的现象。 尽管关于这一主题的历史和当代文学（泰里齐默尔曼，2002年，霍尔布鲁克等人 ，2005）证明了一个巨大的身体的最佳植物功能木质部水运输的重要性，但仍有木质部网络方面，仍然是难以捉摸的。最近的几个研究小组已开始利用高分辨率X射线计算机微断层扫描（HRCT），以评估更精细的细节木材解剖和血管组织（ 如梅奥等人，2010年，2008年曼纳斯等。2010年布罗德森等人2010年，2011，2012A，B，前田和三宅一生，2009年，草原等，2004）。 HRCT是一种非破坏性的用于可视化在内部的固态物体的功能和它们的3-D结构性质，得到的数字信息的技术。 HRCT不同于传统的医疗CAT扫描在其解决在一微米的大小为小的细节的能力，即使对于高密度的对象。同步HRCT技术的最新进展，提高了图像的分辨率和信号的信噪比足以使植物船只网络和intervessel的连接可以可视化，分配的三维坐标，并远销水工模型模拟。布罗德森等人 （2011）最近从木质部网络的数据，自动地提取在高得多的分辨率相比，有可能与传统的解剖方法（ 即串行切片用切片机与一个Fortran模型相结合，所产生的同步加速器HRCT三维重建先进的这种技术和光镜， 如图像采集与齐默尔曼1971年）。这项工作也被用来优化液压木质部系统模型和确定的独特的特征的交通（ 即反向流在一些已经ssels期间的峰值蒸腾）（李等人 ，在审查）。 同步HRCT现在可以使用可视化的木质部的功能，气蚀的敏感性，以及一个植物修复能力，栓塞导管。未能重新建立栓塞管道中流动，降低了液压能力，限制光合作用，导致植物死亡，在极端的情况下（麦克道威尔等人，2008）。调水通过连接相邻的功能管道的坑，周围堵塞和不断增长的新的木质部，以取代失去的液压能力，的植物可以应付栓子。有些植物具有的能力，修复断裂的水柱，但几十年来，紧张木质部这个过程中的细节仍不清楚。布罗德森等人 （2010年）的可视化和定量加气过程中现场葡萄HRCT。成功的容器加气是依赖于活细胞周围的水涌入的XYLEM管道，随着时间的推移，其中个别的水滴扩大，充满血管，被迫解散的残存气体。不同的植物修复受损的木质部和控制机制这些维修的能力，目前正在调查中。 ALS的设施8.3.2光束线的说明在劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利分校CA USA）的先进光源硬X射线微断层扫描光束线8.3.2在我们的工作迄今已进行。植物样品被放置在引线内衬笼位于20米从X-射线源，由一个6特斯拉超导弯曲磁体偶极子的高级光源电子储存环操作在一个关键的能量为11.5千电子伏内产生的。在图1中所示的示意性的端站。的x-射线进入笼的光束大小的40倍〜4.6毫米，并通过样品，其安装在一个电动旋转阶段​​。 “发送的X-射线照射上的晶体的闪烁体（两个常用的材料是LuAG或CdWO 4）X-射线转换ccd的图像采集通过透镜到被中继的可见光。摄像头，闪烁和光学元件都包含在一个不透光的方块的轨道上，允许样品到闪烁相位衬度成像距离进行优化。 所有的样品被安装在直径10厘米的旋转台，而这又是安装在水平和垂直的翻译阶段的样品定位。生活在一个植物性样品，与根系统安装在一个定制的盆栽植物保持架和丙烯酸类管中所载的叶子，在图2中可以看出。典型的曝光时间范围可以从0.1-1秒用10-18千电子伏，扫描持续时间范围从5-40分钟，根据一个特定样本的最优化设置。对于高采样（典型植物木质部网络的），数据扫描平铺通过与样品在不同的高度，这是控制自动重复的测量，允许无缝连续切片沿〜10厘米的最大采样高度。最大样品宽度在4.5微米的分辨率是成像时〜1厘米的样品在垂直方向几乎是完美的。使用下面列出的协议完成数据的生成和处理。由于空气和水之间的差异在X射线衰减，优异的图像的对比度可以在植物中获得对比度医疗CT系统的典型的解决方案，而无需使用。空气填充的血管腔是很容易区分，从周围的充满水的水合的植物组织中。

<table border="1">
 <tbody>
 <tr>
 <td>Material Name/Equipment </td>
 <td>Company</td>
 <td>Catalogue Number</td>
 <td>Comments (optional)</td>
 </tr>
 <tr>
 <td></td>
 <td></td>
 <td></td>
 <td>See specifics listed above regarding equipment at the Advanced Light Source beamline 8.3.2</td>
 </tr>
 </tbody>
</table>

using high resolution computed tomography to visualize the three dimensional structure and function of plant vasculature

高分辨率X射线计算机断层扫描（HRCT）是一种非破坏性的诊断成像技术，具有亚微米分辨率的能力，现在被用于评价在三维（3D）的结构和功能的植物木质部网络（ 例如 Brodersen 等2010，2011，2012A，B）。 HRCT成像是根据医疗CT系统相同的原则，但高强度同步加速器X-射线源的查询结果在较高的空间分辨率，并减少图像的采集时间。在这里，我们展示了如何基于同步加速器的详细HRCT（光源 - 劳伦斯伯克利国家实验室的高级伯克利，CA，USA）进行结合Avizo软件（VSG公司，伯灵顿，MA，USA）被用来探索植物木质部切除组织和活的植物。这种新的成像工具，允许用户将超越传统的静态的2D光或电子显微镜研究样本，在任何平面上使用虚拟串口的部分。无限多的在任何方向C片可以对同一样品，实际上是不可能的一个特点，就是使用传统的显微镜方法。 结果表明，HRCT可以适用于草本和木本植物物种，以及各种植物器官（ 即叶，叶柄，茎，树干，树根）。数字是在这里展示了一系列有代表性的植物血管解剖和类型从的HRCT资料集，包括扫描海岸红杉（ 红杉 ），核桃（ 胡桃属），橡木（ 栎属 ），枫提取的细节（ 宏碁属）的树苗，向日葵（ 油葵 ），葡萄（ 葡萄种），蕨类（ 蕨和狗脊黑斑病的 ）。切除和干燥的样品，木本物种是最简单的扫描，通常产生最佳的影像。然而，最近的改进（ 即更快速的扫描和样品稳定），它POSSIBLE使用可视化技术，绿色组织（ 如叶柄）和活的植物。有时收缩的水合绿色的植物组织，会导致图像模糊和方法，以避免这些问题进行了阐述。这些最新进展与HRCT提供有前途的新的见解植物的血管功能。

HRCT扫描已经Synchotron已成功实施各种各样的植物组织和种光束线8.3.2（ 图5），并以前所未有的分辨率在3D植物的木质部的结构和功能，提供了新的见解。三维重建（如在图6-8中所示;影1-3）所提供的可视化和勘探能力允许精确测定木质部网络上都切除样本的结构的位置和取向，以及在活体植物。 在某些情况下，样本移动或无意的振动引起的扭曲在最终...

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

高分辨率X射线计算机断层扫描（HRCT）是一种非破坏性的诊断成像技术，可以被用来研究在3D中的结构和功能的植物脉管。我们演示如何HRCT促进木质部网络的探索范围广泛的植物组织和种类。

使用高解析度电脑断层可视化的三维结构和功能的植物血管

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

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