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&#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

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

Universidad de Cartagena UDEC

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

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

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

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

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

Çevre

A Small Volume Procedure for Viral Concentration from Water

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

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

Sudan Viral Konsantrasyon için Küçük Bir Ses Prosedürü

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

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

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

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

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

Chironomidae (Diptera) kullanılması Yüzey Yüzer Su Organları bir Rapid Bioassessment Protokolü Pupa Exuviae

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

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

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

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

Coupled Hidrolojik, jeokimyasal ve Mikrobiyolojik Araştırmalar Toprak Lizimetre Kazı

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

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

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

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

Modifikasyon ve Arthropodların Saha Örnekleme için bir Yaprak Blower-vac Uygulama

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

Protocol for Microplastics Sampling on the Sea Surface and Sample Analysis

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

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

Deniz Yüzey ve Numune Analizi Microplastics Örnekleme Protokolü

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

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

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

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

Tarım ve Kentsel Akışta Yüzeysel Su Zehirlenmesiyle İlişkili Kirleticilerin Ortadan Kaldırılması İçin Vejetaryan Arıtma Sistemleri

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

Dispersion of Nanomaterials in Aqueous Media: Towards Protocol Optimization

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

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

Nanomalzemeler sulu ortamda dağılımı: doğru iletişim kuralı en iyi duruma getirme

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

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

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

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

Kayalar ve Mineral toplamları x-ışını kırınım sinkrotron tabanlı kullanarak soğuk sıkıştırma sırasında stres dağıtım

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

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

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

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

Yalıtım ve mikrobiyal topluluklarda toprak, rizosferde ve kökleri çok yıllık çim deneylerde Analizi

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