Name: extracting metrics for three-dimensional root systems: volume and surface analysis from in-soil x-ray computed tomography data
Uploaded: 2016-04-26T15:00:00
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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.

सावधानी: एक एक्स-रे स्कैनर टोमोग्राफी के आपरेशन के दोनों सामान्य विकिरण प्रशिक्षण, और साधन-विशिष्ट विकिरण सुरक्षा प्रशिक्षण की आवश्यकता है। प्रयोगकर्ता की प्रयोगशाला के लिए प्रासंगिक सभी इसी प्रक्रिया का ?...

<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. 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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>

एक्स-रे गणना टोमोग्राफी और कई खुला स्रोत साबित कर कार्यक्रम का संयोजन एक शक्तिशाली संयोजन noninvasively छवि संयंत्र जड़ नमूने, खंड जड़ डेटा, और 3 डी डेटा से मात्रात्मक जानकारी (सतह क्षेत्र और मात्रा) को निकालने ?...

जड़ें, rhizosphere 2-5 के हिस्से के रूप में, संयंत्र जीव विज्ञान के एक &quot;अदृश्य&quot; भाग का प्रतिनिधित्व मिट्टी की छवि जड़ों गैर invasively 6, 7 के लिए यह कठिन बना देता है के बाद से। हालांकि, मिट्टी पर्यावरण के भीतर जड़ विकास और बातचीत का अध्ययन समझ के लिए महत्वपूर्ण है जड़ / पौधों की वृद्धि और पोषक तत्व साइकिल चलाना, जो बदले में वनीकरण, खाद्य सुरक्षा और जलवायु प्रभावित करते हैं। एक्स-रे गणना टोमोग्राफी (XCT) अपने स्थानीय वातावरण में 8 संयंत्र जड़ नमूनों की noninvasive इमेजिंग के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण साबित हो गया है। आदेश में अलग अलग परिस्थितियों में जड़ विकास और आयामी परिवर्तन को मापने के लिए, और विभिन्न डेटासेट / नमूनों से डेटा की तुलना करने में सक्षम होने के लिए, एक टोमोग्राफी डेटा से मात्रात्मक जानकारी निकालने की जरूरत है। आसपास की जमीन के उस से जड़ डेटा के विभाजन, वह यह है कि यह चारों ओर बाकी सब से जड़ छवि के अलगाव (सहित, उदाहरण के लिए, एक पड़ोसी संयंत्र) ACCU से पहले एक महत्वपूर्ण कदम हैदर आकार विश्लेषण किया जा सकता है। हालांकि, एक सरल thresholding दृष्टिकोण अक्सर जड़ डेटा के लिए अव्यावहारिक है। मिट्टी में इमेजिंग पौधे की जड़ों के साथ जुड़े चुनौतियों जड़ सामग्री का एक्स-रे क्षीणन गुण में बदलाव, और पानी और कार्बनिक पदार्थ की वजह से जड़ और मिट्टी के बीच क्षीणन मूल्यों में ओवरलैप शामिल हैं। इन मुद्दों शानदार Mairhofer एट अल द्वारा हाल ही में संबोधित किया गया है। उनके दृश्य ट्रैकिंग उपकरण RooTrak 7, 9। में एक सफल विभाजन के बाद अगले कदम के जड़ की मात्रा और सतह क्षेत्र के सही निर्धारण है। मात्रा voxels की संख्या की गणना और voxels &#39;आकार cubed से गुणा करने के रूप में 7 से पहले दिखाया से अनुमान लगाया जा सकता है। जड़ सतह क्षेत्र और मात्रा का एक और अधिक सटीक निर्धारण के लिए, खंडों जड़ प्रणाली के isosurface एक एल्गोरिथ्म अग्रसर क्यूब्स 10 के रूप में जाना जाता है का उपयोग कर त्रिकोण का एक जाल द्वारा प्रतिनिधित्व किया जा सकता है। ओपन-सोर्स ImageJ 11 वें लगभग करने के लिए नियोजित किया जा सकताई जड़ अग्रसर क्यूब्स एल्गोरिथ्म पर आधारित मात्रा। हमारे ज्ञान का सबसे अच्छा करने के लिए, केवल खुला स्रोत सॉफ्टवेयर की एक सीमित संख्या सेंटीमीटर रेंज में जड़ नमूनों के लिए टोमोग्राफी आधारित मात्रा / सतह डेटा की गणना करने के लिए समर्पित है और ऊपर वर्तमान में उपलब्ध 12 है। एक खुला स्रोत सॉफ्टवेयर हम 13 को देखा जड़ विकास पर केंद्रित है और एकल कोशिका संकल्प पर मात्रात्मक मात्रा विश्लेषण सक्रिय करने के सेलुलर सुविधाओं के उद्देश्य से है। कुछ खुला स्रोत पूरे रूट सिस्टम 14 के लिए समर्पित सॉफ्टवेयर छोटे व्यास ट्यूबलर जड़ सन्निकटन कि उनके आकार वास्तव में ट्यूबलर है पर आधारित सिस्टम के लिए बहुत अच्छा है। हालांकि, 2 डी छवियों के साथ कुछ काम और 3 डी के ढेर 14 संभाल करने में असमर्थ हैं। इसके अलावा, ट्यूबलर आकार सन्निकटन मान्य नहीं हो सकता है जब इस तरह के पेड़ के उन लोगों के रूप में किसी न किसी तरह की सतहों और गैर वर्दी आकार, के साथ जड़ प्रणाली, अध्ययन कर रहे हैं। एक और दृष्टिकोण को 15 दो आयामी (2 डी) घूर्णी की छवि innovatively circumventing वें दृश्यों का उपयोग करता हैई एक महंगा सीटी स्कैनर के लिए की जरूरत है। यह उपाय, रिकॉर्ड, और प्रदर्शित करता है प्रणाली लंबाई जड़। सॉफ्टवेयर हम केवल उन व्यावसायिक रूप से उपलब्ध 16-18 से परीक्षण किया है; एक 3 डी छवि को संभालने में सक्षम होना करने के लिए प्रकट नहीं होता है 16 ढेर, दूसरा, एक पत्ती क्षेत्र और रूट की लंबाई माप उपकरण 17 है जबकि तीसरे रंग विश्लेषण 18 पर आधारित है। इस सर्वेक्षण के आधार पर, हम सुझाव है कि एक costless विकल्प है कि 3 डी टोमोग्राफी डेटा से अपने आकार की परवाह किए बिना सतह और रूट की मात्रा का अनुमान लगाती है वांछनीय है। स्वतंत्र रूप से उपलब्ध RooTrak और ImageJ पर बिल्डिंग, हम एक प्रोग्राम, imeshJ नामित विकसित किया है (पूरक संहिता फ़ाइल देखें) जो एक isosurface मेष (सतह स्टीरियोलिथोग्राफी फ़ाइल) खंडों जड़ डेटा से उत्पन्न प्रक्रियाओं, और जड़ की मात्रा और सतह क्षेत्र की गणना करता है जाल त्रिकोण सूचकांक के आंकड़ों पर सरल ज्यामितीय गणना कर रहे हैं। यहाँ हम एक तरीका है कि XCT इमेजिंग के प्रयोग को जोड़ती रिपोर्ट,डेटा पुनर्निर्माण और दृश्य (सॉफ्टवेयर सीटी प्रो 3 डी और वी.जी. स्टूडियो), 3 डी डेटा (खुला स्रोत सॉफ्टवेयर ImageJ और RooTrak) में मिट्टी से नमूना की जड़ का विभाजन, और सतह और मात्रा के बारे में जानकारी की निकासी एक त्रिकोणीय जाल से (ImageJ और कंप्यूटर कोड imeshJ)।

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

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

पौधे की जड़ों जलवायु परिवर्तन और फसल प्रबंधन के लिए महत्वपूर्ण प्रभाव के साथ कि rhizosphere में होते संयंत्र मिट्टी सूक्ष्म जीव बातचीत में एक महत्वपूर्ण भूमिका है, साथ ही प्रक्रियाओं खेलते हैं। उनके पैतृक वातावरण में जड़ों पर मात्रात्मक आकार जानकारी जड़ विकास और पर्यावरण पौधों को शामिल प्रक्रियाओं के अध्ययन के लिए अमूल्य है। एक्स-रे गणना टोमोग्राफी (XCT) बगल में जड़ स्कैनिंग और विश्लेषण के लिए एक प्रभावी उपकरण होने के लिए प्रदर्शन किया गया है। हम एक costless और कुशल उपकरण है कि तीन आयामी (3 डी) टोमोग्राफी डेटा से अपने आकार की परवाह किए बिना सतह और रूट की मात्रा का अनुमान लगाती है विकसित करने के उद्देश्य से। एक प्रेयरी dropseed की जड़ संरचना (Sporobolus heterolepis) नमूना XCT का उपयोग imaged किया गया था। जड़ को खंगाला गया था, और प्राथमिक जड़ संरचना लाइसेंस और खुला स्रोत सॉफ्टवेयर का एक संयोजन का उपयोग कर डेटा से निकाला गया था। एक isosurface बहुभुज जाल तो विश्लेषण में आसानी के लिए बनाया गया था। हम टी विकसित किया हैवह आवेदन imeshJ, MATLAB 1 में उत्पन्न, स्टैंडअलोन जाल से जड़ मात्रा और सतह क्षेत्र की गणना करने के लिए। ImeshJ के आउटपुट सतह क्षेत्र (मिमी 2) और मात्रा (मिमी 3 में) कर रहे हैं। प्रक्रिया, मात्रात्मक जड़ विश्लेषण करने के लिए इमेजिंग से उपकरणों की एक अद्वितीय संयोजन का उपयोग, वर्णित है। XCT का एक संयोजन और खुला स्रोत सॉफ्टवेयर साबित कर दिया एक शक्तिशाली संयोजन noninvasively छवि संयंत्र जड़ नमूने, खंड जड़ डेटा, और 3 डी डेटा से मात्रात्मक जानकारी निकालने के लिए किया जाना है। 3 डी डाटा प्रोसेसिंग की इस पद्धति अन्य सामग्री / नमूना सिस्टम जहां कनेक्टिविटी समान एक्स-रे क्षीणन के घटकों और कठिनाइयों के बीच विभाजन के साथ उत्पन्न होती है करने के लिए लागू किया जाना चाहिए।

दो से मिलकर नमूना मूल निवासी घास प्रेयरी dropseed (Sporobolus heterolepis) और मूल मिट्टी के आसपास यह एक आवासीय क्षेत्र से लिया गया है और एक छोटी ट्यूब के आकार का धारक चित्रा 1 में देखा में रखा गया था की उ...

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

में मिट्टी एक्स-रे गणना टोमोग्राफी डेटा से मात्रा और सतह विश्लेषण: तीन आयामी जड़ सिस्टम के लिए मेट्रिक्स निकालने

एक्स-रे गणना टोमोग्राफी में मिट्टी का अधिग्रहण डेटा से दृश्य और मात्रात्मक जड़ संरचना के बारे में जानकारी प्राप्त करने के लिए एक प्रणाली प्रस्तुत किया है।

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

The overall goal of this procedure is to extract quantitative information on plant roots from in-soil X-ray computed tomography data. This method of investigating the root structure of live plants can help answer key questions in the biology field, such as how plants respond to changing environmental conditions like drought, microbial activities, and so forth. The main advantage of this technique is that it is non-invasive, therefore, it allows us to study plants in their native environment, the soil.Visual demonstration of this method is valuable, as the procedure involves numerous steps, including tomographic imaging, data reconstruction, and analysis, which may be obscure without visual aid. To begin, place a potted plant on the sample manipulator of the X-ray tomography scanner at a distance desired for target magnification. For a plant in a two inch diameter holder, set a sample to a source distance of about three inches.In the instrument control software, set the X-ray power settings to 85 kilovolts and 190 microamps. Then, set the exposure time to one second for a better signal to noise ratio. Set the number of projections to 3, 142 and the number of frames per projection to four for good data statistics.Using the scan parameters just set, select the Shading Correction"tab. Then click on New"and name the shading correction file. Then click Present"to confirm the new conditions.Next, click Create"and click OK"to using two reference images. Then click Generate. Then, when the warning popup window appears, physically remove the sample from the beam path before clicking OK.The shading correction will now run.Now, click on the Acquisition"tab. Name the data file, then select None"for X-ray filter. Ensure that the Minimise ring artefacts"checkbox is checked so that the sample will be rotated in angular steps while the projection images are acquired.Finally, start the scan by clicking the Acquire"button. After acquiring the raw data, load it into the reconstruction program. Compare the first and last images by clicking on Blink"to make sure the specimen did not move or the scan settings did not change during data acquisition.Calculate the center of rotation, or COR, by selecting the Center of rotation"tab and using options Automatic"COR finding with High Quality"accuracy and Dual"slice selection for COR calculation. Then, click Start"to run the calculation. After the COR is found, click the Volume"tab to select the sample to be reconstructed.Use the thumbnails to edit the volume selection windows. Then click Start"to perform reconstruction to create the volume file containing 3D data. To prepare a RooTrak processable image stack, load the volume file into ImageJ by clicking File, Import, Raw, then selecting the volume file.To optimize the image contrast between the root and soil, click the Image"tab, then choose Adjust Brightness/Contrast"and select Auto. When the region of interest is visible in clear, the settings are considered optimized. Save the images as an image stack in JPEG, BMP, or PNG format by clicking Save As"and choosing Image Sequence.To process in RooTrak to segment the root, select the Tools"tab and choose Tracker. Then double click on the white entry area of the dialogue box to load an image stack. After the images are loaded, choose the Tracker"tab and set seed points inside the root by clicking several points inside each of the pertinent root sections visible in the top view slice of the volume data.Set the tracker parameter smoothness to 0.3 and similarity to 0.8. Click the field below Output Directory"to choose a file folder. Then, click Select Folder"and click Start.The tracking function will then run. This will follow the root from the top image slice all the way to the bottom slice. After opening and viewing the volume data, select the number of slices according to the usable data volume.In the example shown here, tracking was stopped at 200 slices, equivalent to a depth of 6.2 millimeters, where root boundaries became ill defined. To carry out volume and surface analysis in ImageJ, convert the image stack from RooTrak into a binary image format by selecting Process, Binary, then Make Binary. Use the open source ImageJ plugin, BoneJ, to create the triangular mesh by selecting Plugins, BoneJ, then Isosurface.In the options window that opens up, set Resampling"and Threshold"to six and 120, respectively. Then, check Show surface"and press the OK"button. In the 3D viewer that opens up, click on the File"tab.Then click Export surfaces"and save as STL binary. Finally, open IMESHJ. Load the STL file by clicking Select STL File"and enter the voxel size in microns.Click Enter Voxel Size"and enter 31 microns, then click OK"twice. Click Calculate Surface Area"to acquire the total sample root surface area in square millimeters. Then, click Calculate Volume"to obtain the total sample root volume in cubic millimeters.The specimen, consisting of two stems of the native grass prairie dropseed, Sporobolus heterolepis, and the original soil around it, is shown here. Voxel size of the reconstructed data generated was approximately 31 cubic microns. After creating a stack of images and increasing the contrast between the roots and soil, the reconstructed data showed that the root and some of the components of the soil have very similar X-ray attenuation factors, resulting in little to no grayscale contrast in the images.This figure shows a representative seed point that was selected inside a pertinent root section visible in the top slice of the volume data. Using the RooTrak parameters described in this video, RooTrak successfully segmented the selected approximately 200 slices of volume data, which was equivalent to a depth of 6.2 millimeters. Segmentation of the root is also demonstrated in this animation.Here, ImageJ was used to generate a triangular mesh isosurface of the 3D volume from the data produced by RooTrak. The default settings used produced a detailed isosurface in a relatively quick manner. Finally, using IMESHJ, the surface area was calculated as 351.87 square millimeters, and the calculated volume was 47.27 cubic millimeters.Once mastered, this procedure can be done in five hours if it is performed properly. While attempting this technique, it is important to remember to follow all safety procedures. It is also important to remember that root segmentation is only possible if there is sufficient X-ray contrast between root and the soil.Following this procedure, other specimens with branching structures like tree leaves, animal and human lungs, et cetera, can be imaged and analyzed in order to answer additional questions, like how living tissues grow or how they tolerate certain conditions. After its development, this technique paves the way for researchers in the plant science field to explore things like drought resistance in model plants such as Brachypodium. After watching this video, you should have a good understanding of how to image a plant specimen using tomography, how to visualize its root structure and extract quantitative information on the root from in-soil X-ray computed tomography data.Don't forget that working with X-ray instrumentation can be hazardous, and the relevant safety procedures should be followed while attempting this technique.

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