[논문 리뷰] Combined 3D PET and Optical Projection Tomography Techniques for Plant Root Phenotyping

Qiang Wang, Sergey Komarov외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 01.

Plant nutrient uptake and metabolism참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 투명한 젤 매질에서 재배된 옥수수 식물의 동적 탄소 분배와 뿌리 생장을 비침습적으로 영상화하기 위해 3D PET와 광학 투과 단층촬영(OPT)을 융합한다. 공액된 PET 및 OPT 데이터를 통해 뿌리 끝에서의 11C 활성도와 이후의 뿌리 생장 속도 사이에 강한 선형 상관관계(R² > 0.8)를 입증하였으며, 이는 PET가 OPT 영상에서 형태적 변화가 눈에 띄기 이르기까지 최대 48시간 전에 측지된 횡방향 뿌리 발생을 예측할 수 있음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기능적 및 형태적 해상도를 갖춘 식물 뿌리 형질표현을 연구하기 위한 비침습적 다중 모odal 영상 기법을 개발한다.
• PET로 측정한 동적 탄소 분배가 OPT로 확보한 실제 뿌리 생장 속도와 어떻게 상관관계를 가지는지 조사한다.
• PET가 형태 영상에서 눈에 띄기 전에 향후의 뿌리 생장 사건(예: 횡방향 뿌리 발생)을 예측할 수 있는지 평가한다.
• 탄소 분배 패턴의 변화를 모니터링함으로써 환경 스트레스가 뿌리 생장 역학에 미치는 영향을 탐구한다.

제안 방법

• 1.25 mm 공간 해상도와 14 cm 횡방향 × 10 cm 축방향 시야(FOV)를 갖춘 전용 고해상도 식물 PET 스캐너를 사용하여 투명한 젤 매질 내 옥수수 뿌리를 영상 촬영하였다.
• 일일로 맞춤형 표지 침대를 통해 11CO2를 투여한 후 2시간 동안 PET 스캔을 실시하여 실시간 탄소 분포를 추적하였다.
• 광학 투과 단층촬영(OPT)은 DSLR 카메라를 사용해 동일한 식물을 72개의 각도에서 촬영하였으며, 광학 왜곡을 보정하기 위해 용기를 물에 잠기게 하였다.
• OPT 투영 영상에서 3D 뿌리 구조를 재구성하였고, 광학 데이터로부터 뿌리 끝 위치와 생장 속도를 정량화하였다.
• PET 및 OPT 영상의 공액화를 통해 시간에 따라 뿌리 끝에서의 11C 활성도 농도와 측정된 뿌리 생장 속도를 직접 비교할 수 있었다.
• 정의된 뿌리 끝 주변의 영역(ROIs)에서의 11C 활성도와 OPT로부터 확보한 해당 영역의 뿌리 생장 속도 간의 통계적 상관관계 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3D PET 영상은 눈에 띄는 형태적 변화 이전에 식물 뿌리에서의 동적 탄소 분배 패tern을 감지할 수 있는가?
• RQ2 뿌리 끝에서의 11C 활성도 농도가 OPT로 측정한 실제 뿌리 생장 속도와 얼마나 강하게 상관관계를 가지는가?
• RQ3 PET는 형태 영상에서 눈에 띄기 전에 횡방향 뿌리 발생 사건을 예측할 수 있는가?
• RQ4 물리적 장애물과 같은 환경 제약 조건이 PET 및 OPT로 드러난 탄소 분배 및 뿌리 생장 역학에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• 24시간 창에서 OPT로 측정한 뿌리 생장 속도와 뿌리 끝에서의 11C 활성도 농도 사이에 강한 선형 상관관계(R² > 0.8)를 관찰하였다.
• PET 영상가 탄소 분배 신호를 횡방향 뿌리 발생과 관련된 미세형태적 변화가 OPT 영상에서 눈에 띄기까지 최대 48시간 전에 감지하였다.
• 물리적 장애물(예: 유리 용기 벽)에 부딪힌 뿌리는 끝에서 11C 활성도가 증가하여 생장 방향 변화를 위한 더 높은 탄소 분배를 나타내었다.
• 맞춤형 방사성 트레이서 공급 시스템을 사용하여 식물을 최소한의 간섭으로 반복적으로 영상 촬영함으로써 뿌리 발달의 종단적 추적을 가능하게 하였다.
• 공액된 3D PET 및 OPT 영상에서 PET 데이터의 핫스팟이 가장 활발히 성장하는 뿌리 끝과 일치하여, PET가 기능적 형질표현 도구로서의 타당성을 검증하였다.
• 이 연구는 PET만으로도 일반 토양에서 탄소 분배-생장 관계를 모델링할 수 있음을 입증하였으며, 보다 정밀한 생리적 형질표현으로 나아갈 수 있는 길을 제시하였다.