Phân tích đồng thời hình dạng và cấu trúc bên trong của pulvinus cong Hibiscus cannabinus: vi chùm X và định lượng bán tự động

Journal of Plant Research - 2023
Miyuki T. Nakata1,2,3, Masahiro Takahara4, Toshihiro Yamada5,6, Taku Demura1,2
1Center for Digital Green-Innovation, Nara Institute of Science and Technology (NAIST), Ikoma, Japan
2Graduate School of Science and Technology, Nara Institute of Science and Technology (NAIST), Ikoma, Japan
3Faculty of Advanced Science and Technology, Kumamoto University, Chūō-ku, Japan
4Acacia Horticulture, Kizugawa, Japan
5Department of Earth and Planetary Sciences, Faculty of Science, Hokkaido University, Sapporo, Japan
6The Botanical Gardens, Osaka Metropolitan University, Katano, Japan

Tóm tắt

Trong họ Malvaceae, sự theo dõi mặt trời động lực học của lá được thực hiện nhờ sự biến dạng của pulvinus, một vùng dày lên tại điểm nối giữa phiến lá và cuống lá. Trong khi cấu trúc bên trong được cho là đóng vai trò quan trọng trong quá trình này, việc xác minh thực nghiệm đã gặp nhiều khó khăn do những hạn chế về kỹ thuật. Để giải quyết khoảng trống này, chúng tôi đã phát triển một quy trình bán tự động, tích hợp phân tích dữ liệu và xử lý hình ảnh để phân tích đồng thời hình dạng và cấu trúc bên trong của pulvinus họ Malvaceae bằng phương pháp vi chùm X. Đầu tiên, chúng tôi phát hiện rằng cây kenaf (Hibiscus cannabinus L.), một loài trong họ Malvaceae với các pulvinus cong, thể hiện chuyển động lá theo dõi mặt trời và chọn nó làm hệ thống mô hình. Chúng tôi đã sử dụng phương pháp chụp cắt lớp vi tính tăng cường tương phản dựa trên i-ốt để hình dung cấu trúc bên trong của pulvinus kenaf. Phân tích hình dạng của pulvinus cho thấy sự biến đổi về hình thái pulvinus, tuy nhiên việc dự đoán trung tâm có thể thực hiện được bằng cách sử dụng hồi quy đa thức cực. Khi cắt pulvinus vuông góc với đường trung tâm, chúng tôi quan sát thấy các gradient giá trị xám rõ rệt dọc theo các trục proximo-distal và adaxial-abaxial, thách thức việc phân đoạn mô dựa trên ngưỡng. Quy trình này đã tạo ra ba hình ảnh 3D đã được sửa đổi và lấy được các tham số định lượng. Sử dụng các tham số định lượng này, chúng tôi đã tiến hành phân tích mạng và tìm thấy mối liên hệ giữa diện tích mặt cắt ngang vỏ lớp đã được chuẩn hóa theo kích thước và độ cong. Hồi quy đa thức với tác giả thu hẹp và lựa chọn tuyệt đối thấp nhất (LASSO) đã tiết lộ mối quan hệ giữa diện tích mặt cắt ngang vỏ lớp đã được chuẩn hóa theo kích thước và độ cong thường thấy trong cả ba mẫu đã thử nghiệm. Quy trình này cho phép phân tích đồng thời hình dạng và cấu trúc bên trong, cải thiện đáng kể tính tái lập của việc phân tích đặc điểm pulvinus lá họ Malvaceae.

Từ khóa

#malvaceae #pulvinus #hình dạng #cấu trúc #vi chùm X #hồi quy LASSO

Tài liệu tham khảo

Basu P, Pal A, Lynch JP, Brown KM (2007) A novel image-analysis technique for kinematic study of growth and curvature. Plant Physiol 145:305–316. https://doi.org/10.1104/pp.107.103226

Bastien R, Legland D, Martin M, Fregosi L, Peaucelle A, Douady S, Moulia B, Höfte H (2016) KymoRod: a method for automated kinematic analysis of rod-shaped plant organs. Plant J 88:468–475

Cignoni P, Callieri M, Corsini M, Dellepiane M, Ganovelli F, Ranzuglia G (2008) MeshLab: an open-source mesh processing tool. Sixth Eurographics Italian Chapter Conference, 129−136

Cook TA (1979) The curves of life: being an account of spiral formations and their application to growth in nature, to science, and to art: with special reference to the manuscripts of Leonardo da Vinci. Courier Corporation. https://archive.org/details/cu31924028937179

Dhondt S, Vanhaeren H, Van Loo D, Cnudde V (2010) Plant structure visualization by high-resolution X-ray computed tomography. Trends Plant Sci 8:419–422

Ferreira C, Castro NM, Rodrigues TM, Seixas DP, Groppo M (2022) Pulvinus or not pulvinus, that is the question: anatomical features of the petiole in the Citrus family (Rutaceae, Sapindales). Braz J Bot 45:485–496. https://doi.org/10.1007/s40415-021-00782-0

Fisher FJF, Ehret DL, Hollingdale J (1986) The pattern of vascular deployment near the pulvinus of the solar-tracking leaf of Lavatera cretica (Malvaceae). Can J Bot 65:2109–2117

French A, Ubeda-Tomás S, Holman TJ, Bennett MJ, Pridmore T (2009) High-throughput quantification of root growth using a novel image-analysis tool. Plant Physiol 150:1784–1795. https://doi.org/10.1104/pp.109.140558

Ishida T, Kaneko Y, Iwano M, Hashimoto T (2007) Helical microtubule arrays in a collection of twisting tubulin mutants of Arabidopsis thaliana. Proc Natl Acad Sci USA 104:8544–8549. https://doi.org/10.1073/pnas.0701224104

Judd WS, Manchester SR (1997) Circumscription of Malvaceae (Malvales) as determined by a preliminary cladistic analysis of morphological, anatomical, palynological, and chemical characters. Brittonia 49:384–405. https://doi.org/10.2307/2807839

Gignac PM, Kley NJ, Clarke JA, Colbert MW, Morhardt AC, Cerio D, Cost IN, Cox PG, Daza JD, Early CM, Echols MS, Henkelman RM, Herdina AN, Holliday CM, Li Z, Mahlow K, Merchant S, Müller J, Orsbon CP, Paluh DJ, Thies ML, Tsai HP, Witmer LM (2016) Diffusible iodine-based contrast-enhanced computed tomography (diceCT): an emerging tool for rapid, high-resolution, 3-D imaging of metazoan soft tissues. J Anat 228:889–909. https://doi.org/10.1111/joa.12449

Koç MM, Aslan N, Kao AP, Barber AH (2019) Evaluation of X-ray tomography contrast agents: a review of production, protocols, and biological applications. Microsc Res Tech 82:812–848

Kunita I, Morita MT, Toda M, Higaki T (2021) A three-dimensional scanning system for digital archiving and quantitative evaluation of Arabidopsis plant architectures. Plant Cell Physiol 62:1975–1982. https://doi.org/10.1093/pcp/pcab068

Liao W, Wang G, Li Y, Wang B, Zhang P, Peng M (2016) Reactive oxygen species regulate leaf pulvinus abscission zone cell separation in response to water-deficit stress in cassava. Sci Rep 6:21542. https://doi.org/10.1038/srep21542

Maeno A, Tsuda K (2018) Micro-computed tomography to visualize vascular networks in maize stems. Bio-protocol 8. https://doi.org/10.21769/BioProtoc.2682

Martín-Gómez JJ, del Pozo DG, Tocino Á, Cervantes E (2021) Geometric models for seed shape description and quantification in the Cactaceae. Plants 10:2546. https://doi.org/10.3390/plants10112546

Metscher BD (2009a) Micro-CT for comparative morphology: simple staining methods allow high-contrast 3D imaging of diverse non-mineralized animal tissues. BMC Physiol 9:11

Metscher BD (2009b) Micro-CT for developmental biology: a versatile tool for high-contrast 3-D imaging at histological resolutions. Dev Dyn 238:632–640

Nakata MT, Takahara M (2022) Mechanics of reversible deformation during leaf movement and regulation of pulvinus development in legumes. Int J Mol Sci 23:10240

Nieves-Cordones M, Andrianteranagna M, Cuéllar T, Chérel I, Gibrat R, Boeglin M, Moreau B, Paris N, Verdeil JL, Zimmermann S, Gaillard I (2019) Characterization of the grapevine Shaker K+ channel VvK3.1 supports its function in massive potassium fluxes necessary for berry potassium loading and pulvinus-actuated leaf movements. New Phytol 222:286–300. https://doi.org/10.1111/nph.15604

Otsu N (1979) A threshold selection method from gray-level histograms. IEEE Trans Syst Man Cybern 9:62–66. https://doi.org/10.1109/TSMC.1979.4310076

Otsuka Y, Tsukaya H (2021) Three-dimensional quantification of twisting in the Arabidopsis petiole. J Plant Res 134:811–819

Pietsch M, Aguirre Dávila L, Erfurt P, Avci E, Lenarz T, Kral A (2017) Spiral form of the human cochlea results from spatial constraints. Sci Rep 7:7500. https://doi.org/10.1038/s41598-017-07795-4

Post AL, Cernohorsky P, Pedrigi RM, Streekstra GJ, d’Hooghe JNS, Annema JT, Strackee SD, Krams R, van Leeuwen TG, de Bruin DM, Faber DJ (2020) 3D co-registration algorithm for catheter-based optical coherence tomography. OSA Continuum 3:2707–2721

Schwartz A, Koller D (1978) The phototropic response to vectorial light in leaves of Lavatera cretica L. Plant Physiol 61:924–928

Staedler YM, Masson D, Schönenberger J (2013) Plant tissues in 3D via X-ray tomography: Simple contrasting methods allow high resolution imaging. PLoS ONE 8:e75295

Takahara M, Tsugawa S, Sakamoto S, Demura T, Nakata MT (2023) Pulvinar slits: cellulose-deficient and de-methyl-esterified pectin-rich structures in a legume motor cell. Plant Physiol 192:857–870. https://doi.org/10.1093/plphys/kiad105

Thompson DW (1942) On growth and form (2nd edn). Cambridge University Press

Tibshirani R (1996) Regression shrinkage and selection via the Lasso. J R Stat Soc Ser B (methodological) 58:267–288

Tracy SR, Gómez JF, Sturrock CJ, Wilson ZA, Ferguson AC (2017) Non-destructive determination of floral staging in cereals using X-ray micro computed tomography (μCT). Plant Methods 13:9

Tsuda K, Abraham-Juarez MJ, Maeno A, Dong Z, Aromdee D, Meeley R, Shiroishi T, Nonomura KI, Hake S (2017) KNOTTED1 cofactors, BLH12 and BLH14, regulate internode patterning and vein anastomosis in maize. Plant Cell 29:1105−1118

Tsugawa S, Kanda N, Nakamura M, Goh T, Ohtani M, Demura T (2020) Spatio-temporal kinematic analysis of shoot gravitropism in Arabidopsis thaliana. Plant Biotechnol 37:443–450

Werker E, Koller D (1987) Structural specialization of the site of response to vectorial photo-excitation in the solar-tracking leaf of Lavatera cretica. Am J Bot 74:1339–1349

Wang L, Uilecan IV, Assadi AH, Kozmik CA, Spalding EP (2009) HYPOTrace: Image analysis software for measuring hypocotyl growth and shape demonstrated on arabidopsis seedlings undergoing photomorphogenesis. Plant Physiol 149:1632–1637. https://doi.org/10.1104/pp.108.134072

Yin HC (1938) Diaphototropic movements of the leaves of Malva neglecta. Am J Bot 25:1–6

Thông tin
Thông tin xuất bản

Journal of Plant Research

Thông tin tác giả