Sich entwickelndes Blütenorgan einer Sojabohne, aufgenommen mit ZEISS Xradia Versa-Röntgenmikroskop. Zeigt den Fruchtknoten mit sich entwickelnder Samenanlage, umgeben von Staubbeuteln, die mit Pollenkörnern gefüllt sind.

Röntgen-Imaging für biowissenschaftliche Anwendungen

Strukturen im Inneren von Pflanzen ohne Schnitte abbilden

Zelluläre Einblicke mit vollständigem 3D‑Kontext

Das Organsystem einer Pflanze kann Aufschluss über die Merkmale der Pflanzengesundheit wie Resistenz, Langlebigkeit, Ernteerträge und Größe geben. Durch Visualisierung dieser Pflanzenteile und Beobachtung ihrer Entwicklung, Funktion und wie sie durch externe Faktoren beeinflusst werden, gewinnen Forscher wichtige Erkenntnisse, um die Gesundheit und Erträge einer Pflanze zu optimieren. Zerstörungsfreie Röntgenmikroskopie kann die strukturellen Informationen der verschiedener Pflanzenkomponenten in hoher Auflösung abbilden, ohne dass der 3D‑Kontext durch das Anfertigen von Schnitten geopfert werden muss.^1,2

_{Bild mit freundlicher Genehmigung von Dr. Keith Duncan, Donald Danforth Plant Science Center, USA}

Beobachtung der Samenentwicklung

Hochauflösender Scan eines sich entwickelnden Sojabohnensamens, aufgenommen mit ZEISS Xradia Versa. Die Samenanlage befindet sich im Fruchtknoten und entwickelt sich im Verlauf der Samenentwicklung zur Schale der Sojabohne. Mit freundlicher Genehmigung von Dr. Keith Duncan, Donald Danforth Plant Science Center, USA.

Einblicke in hoher Auflösung ohne Beeinträchtigung des Samens

Die Röntgenmikroskope der ZEISS Xradia-Produktfamilie bieten hohen Kontrast und hohe Auflösung für die zerstörungsfreie Abbildung zahlreicher verschiedener Strukturen wie Wurzeln, Blätter, Stiele, Blütenstände und Samen. Die zweistufige Vergrößerungsarchitektur der ZEISS Xradia Versa-Röntgenmikroskope mit mehreren Objektiven ermöglicht die Abbildung der Pflanzenteil in zellulärer Auflösung, ohne dass dabei der 3D‑Kontext der Zelldetails verloren geht.

Arabidopsis-Samen, aufgenommen mit ZEISS Xradia Versa-Röntgenmikroskop und segmentiert in 3D mit Dragonfly Pro.

Quantifizierbare Daten aus 3D‑Einblicken

Nach der hochauflösenden Bildgebung können die Daten segmentiert werden, um die 3D‑Daten zu quantifizieren. Anschließend können die hochwertigen Datensätze mit Analysemodulen wie Dragonfly Pro verarbeitet werden, um Informationen zu Anzahl, Größe und Verteilung der Stärkekörner zu erhalten.

Untersuchung von Blütenständen

Sich entwickelnde Blütenstrukturen der Arabidopsis bei verschiedenen Längenskalierungen. Die hellen Punkte sind die Pollenkörner; die lange, große Struktur ist der Fruchtknoten, der zahlreiche Eizellen (Samen) enthält, die sich im Fruchtknoten entwickeln. Mit freundlicher Genehmigung von Dr. Keith Duncan, Donald Danforth Plant Science Center, USA.

Mehrskaliges Imaging feinster, komplexer Blütenstrukturen

Die Erfassung von Daten mit ZEISS Xradia Versa und die anschließende Verarbeitung mit der Bildanalysesoftware Dragonfly Pro liefert außergewöhnliche Einblicke in Strukturen im Inneren der Pflanze in zellulärer Auflösung. Die Daten werden im Kontext der gesamten Pflanze erfasst, da die Probe für die Bildaufnahme nicht zugeschnitten werden muss.

Bildgebung von Wurzeln

Im Boden wachsende Wurzeln. Abbildung des gesamten Spritzenzylinders mit einer Größe von 2 cm x 10 cm zur anschließenden Bildgebung von Interessensbereichen mit höherer Auflösung. Mit freundlicher Genehmigung von K. Duncan, Donald Danforth Plant Science Center, St. Louis, USA.

Mehrskaliges Imaging von im Boden wachsenden Wurzeln

Die Entwicklung der Wurzelstrukturen und die Interaktion der Wurzeln mit dem Boden sind ausschlaggebend für die allgemeine Gesundheit und die Ausbreitung einer Pflanze. Da Wurzeln jedoch unter der Bodenoberfläche wachsen, ist es zumeist schwierig, die Prozesse der Wurzelentwicklung bzw. die Wurzeln in situ zu betrachten. Röntgen-Imaging bietet den Vorteil, dass sie zerstörungsfrei ist. Das macht sie zur idealen Technologie, um Wurzeln und Wurzelnetzwerke beim Wachsen im Boden zu beobachten. Das hochauflösende Röntgenmikroskop ZEISS Xradia Versa ermöglicht die Abbildung der Wurzelstrukturen auf Zellebene und im Kontext der gesamten Wurzel.

Erforschung neuer Wege zur Reduzierung der Bodenerosion

Samenkapsel des Täschelkrauts, aufgenommen mit ZEISS Xradia Versa, zuerst mit dem 0,4-fach-Objektiv und dann mit dem 4-fach-Objektiv. Mit freundlicher Genehmigung von Dr. Keith Duncan, Donald Danforth Plant Science Center, USA.

Zerstörungsfreie Untersuchung des Täschelkrauts

Um die Bodenqualität zu erhalten und Ernteerträge an verschiedenen Standorten zu optimieren, müssen neue Wege zur Reduzierung der Bodenerosion und ablaufender Düngemittel gefunden werden. Das Täschelkraut ist eine Pflanzenart, die als wirtschaftlich tragbare Pflanze für den Zwischenfruchtanbau entwickelt wurde. Sie wird zur Bepflanzung des Ackers zwischen zwei Anbauperioden mit konventionellen Nutzpflanzen genutzt, um die Bodenerosion und den Düngemittelablauf zu verringern, Kohlenstoff im Boden zu speichern und eine vorteilhafte mikrobielle Gemeinschaft aufrechtzuerhalten. Mit Röntgenmikroskopen ist es möglich, die inneren Strukturen des Täschelkrauts zu untersuchen, ohne die Pflanze zerschneiden zu müssen.

Untersuchung von Bodenaggregaten

Bodenaggregat in einem Probenröhrchen, störungsfrei abgebildet bei mehreren Längenskalierungen mit ZEISS Xradia Versa. Mit freundlicher Genehmigung von Dr. Keith Duncan, Donald Danforth Plant Science Center, USA.

Störungsfreie Abbildung der Struktur von Bodenaggregaten

Neben der Bodenerosion sind auch die Auswirkungen der verschiedenen Bodenbearbeitungsverfahren auf Boden und Bodenaggregate ein wichtiges Thema. Die Strukturen, Schnittstellen und Veränderungen eines Bodenvolumens können mit zerstörungsfreier Röntgenmikroskopie in 3D untersucht werden. Die Untersuchung der Auswirkungen auf das Bodengefüge und die Pflanzengesundheit bei unterschiedlichen Längenskalierungen liefern interessante Einblicke, die andernfalls nicht möglich wären. Auch Vergleichsstudien mit Proben von Boden, der mit unterschiedlichen Verfahren wie Direktsaat oder konventionellem Pflug bearbeitet wurde, sind möglich.

Höheres Signal-Rausch-Verhältnis und höherer Durchsatz für 3D‑Aufnahmen

Stanzbiopsie eines Tabakblatts. Der 3001-2D‑Projektionsdatensatz wurde mit dem herkömmlichen FDK-Algorithmus rekonstruiert (links)

Stanzbiopsie eines Tabakblatts. Der 3001-2D‑Projektionsdatensatz wurde mit DeepRecon (rechts) rekonstruiert

Stanzbiopsie eines Tabakblatts. Der 3001-2D‑Projektionsdatensatz wurde mit dem herkömmlichen FDK-Algorithmus (links) und mit DeepRecon (rechts) rekonstruiert. Mit freundlicher Genehmigung von K. Duncan und K. Czymmek, Donald Danforth Research Center, USA.

Deep-Learning-Rekonstruktion für weniger Rauschen und schnellere Aufnahmen

Die Deep-Learning-Rekonstruktion erhöht sowohl das Signal-Rausch-Verhältnis des rekonstruierten Datensatzes als auch den Gesamtdurchsatz, der mit diesem Imaging-Ansatz erzielt wird. ZEISS DeepRecon benötigt deutlich weniger 2D‑Projektionsbilder für die endgültige Rekonstruktion. Hierdurch wir die Aufnahmedauer reduziert und der µCT-Durchsatz bis um das 10‑fache gesteigert.

Diese signifikante Leistungssteigerung ist ohne zusätzliche Röntgenhardware möglich. Der höhere Probendurchsatz ist für alle Aufnahmen von Vorteil. Das höhere Signal-Rausch-Verhältnis ist besonders dann hilfreich, wenn höchste Auflösung erforderlich ist, bei der die gewünschten Strukturen normalerweise aufgrund des Rauschen verborgen bleiben.

  
      Bildverarbeitung im Einsatz
      
    Donald Danforth Plant Science Center

Erfahren Sie, wie das weltweit größte unabhängige, gemeinnützige Pflanzenforschungsinstitut die ZEISS Xradia Versa-Röntgenmikroskope einsetzt, um die Entwicklung von Blütenständen zu beobachten, mehrskalige Bilder von Wurzeln anzufertigen und Wege zur Reduzierung von Bodenerosion zu erforschen.

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