[論文レビュー] Combined 3D PET and Optical Projection Tomography Techniques for Plant Root Phenotyping

Qiang Wang, Sergey Komarov+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Plant nutrient uptake and metabolism参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、3次元PETと光学投影断層撮影法（OPT）を組み合わせ、透明なゲル媒体で育てたトウモロコシの根において、非侵襲的かつ動的炭素分配と根の成長をイメージングする。共登錜されたPETとOPTのデータを用いて、根先における11C活動とその後の根成長速度との間に強い線形相関（R² > 0.8）が示され、PETがOPT画像に顕在される形態的変化よりも最大48時間も前もって側根の出現を予測できることを示した。

ABSTRACT

New imaging techniques are in great demand for investigating underground plant roots systems which play an important role in crop production. Compared with other non-destructive imaging modalities, PET can image plant roots in natural soil and produce dynamic 3D functional images which reveal the temporal dynamics of plant-environment interactions. In this study, we combined PET with optical projection tomography (OPT) to evaluate its potential for plant root phenotyping. We used a dedicated high resolution plant PET imager that has a 14 cm transaxial and 10 cm axial field of views, and multi-bed imaging capability. The image resolution is around 1.25 mm using ML-EM reconstruction algorithm. B73 inbred maize seeds were germinated and then grown in a sealed jar with transparent gel-based media. PET scanning started on the day when the first green leaf appeared, and was carried out once a day for 5 days. Each morning, around 10 mCi of 11CO2 was administrated into a custom built plant labeling chamber. After 10 minutes, residual activity was flushed out with fresh air before a 2-h PET scan started. For the OPT imaging, the jar was placed inside an acrylic cubic container filled with water, illuminated with a uniform surface light source, and imaged by a DSLR camera from 72 angles to acquire optical images for OPT reconstruction. The same plant was imaged 3 times a day by the OPT system. Plant roots growth is measured from the optical images. Co-registered PET and optical images indicate that most of the hot spots appeared in later time points of the PET images correspond to the most actively growing root tips. The strong linear correlation between 11C allocation at root tips measured by PET and eventual root growth measured by OPT suggests that we can use PET as a phenotyping tool to measure how a plant makes subterranean carbon allocation decisions in different environmental scenarios.

研究の動機と目的

• 機能的および形態的解像度を備えた植物の根の形態像を非侵襲的かつマルチモodalに研究するための手法を開発すること。
• PETで測定した動的炭素分配と、OPTで決定された実際の根成長速度との相関関係を調査すること。
• OPTによる形態的イメージングでまだ可視化されていない段階で、PETが将来の根成長イベント（例：側根の出現）を予測できるかどうかを評価すること。
• 環境的ストレス要因（例：物理的障壁）が炭素分配パターンに与える影響を、PETとOPTを用いて根の成長ダイナミクスの観点から探ること。

提案手法

• 1.25 mmの空間分解能と14 cm径方向×10 cm軸方向の視野（FOV）を有する、専用の高分解能植物用PETスキャナを用いて、透明なゲル媒体内のトウモロコシの根をイメージングした。
• 11CO2をカスタムラベルリングチャンバーを用いて毎日投与し、その後2時間のPETスキャンを実施して、炭素の即時の分布を追跡した。
• 光学投影断層撮影（OPT）は、DSLRカメラを用いて72の角度から同じ植物を撮影し、ガラスジャーを水中に沈めて光学歪みを補正した。
• OPTの投影画像から3次元根構造を再構築し、光学データから根先の位置と成長速度を定量化した。
• PETとOPTの画像を共登錜することで、時間経過に伴う根先における11C活動濃度と測定された根成長速度との直接比較が可能になった。
• ROIs（領域としての注目領域）を根先周辺に定義し、その領域における11C活動と、OPTから得られた対応する根成長速度との間の統計的相関解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元PETイメージングは、形態的変化が顕在化する以前に、植物の根における動的炭素分配パターンを検出できるか？
• RQ2 根先における11C活動濃度と、OPTで測定された実際の根成長速度との相関はどの程度強いのか？
• RQ3 OPTイメージングでまだ可視化されていない段階で、PETは側根の出現を予測できるか？
• RQ4 物理的障壁などの環境的制約要因が、PETおよびOPTによって明らかにされる炭素分配と根成長ダイナミクスに与える影響は何か？

主な発見

• 24時間の時間窓において、根先における11C活動濃度とOPTで測定された根成長速度との間に強い線形相関（R² > 0.8）が観察された。
• PETイメージングは、OPT画像で側根出現に伴うマイクロ形態的変化が可視化されるよりも最大48時間も前から、根先における炭素分配シグナルを検出できた。
• 物理的障壁（例：ガラスジャーの内壁）に衝突した根では、根先における11C活動が増加しており、成長方向の変更に伴い炭素割り当てが増加している可能性を示唆している。
• カスタムラジオトレーサー供給システムを用いることで、最小限の干渉で同一植物を繰り返しイメージング可能となり、根発達の縦断的追跡が可能になった。
• 共登錜された3次元PETとOPT画像から、PETデータにおけるホットスポットが最も活発に成長している根先に対応しており、PETが機能的形態像評価ツールとして妥当であることが裏付けられた。
• 本研究では、PET単体でも通常の土壌環境において炭素割り当てと成長の関係をモデル化できる可能性が示された。これにより、より高精度な生理的形態像評価への道筋が示された。