WinRHIZO от Regent Instruments — специализированная система для получения изображений и количественного анализа отмытых корней растений и молодых проростков. Она позволяет автоматически исследовать морфологию корневой системы, определять длину и диаметр корней, площадь, объем, количество кончиков и другие параметры, а в расширенных версиях — выполнять анализ топологии, архитектуры и цветовых характеристик.
Система WinRHIZO включает специализированное программное обеспечение и высококачественный цветной оптический сканер, откалиброванный для точных научных измерений. В зависимости от задач доступны четыре версии программного обеспечения: Basic, Reg, Pro и Arabidopsis. Функциональность можно впоследствии расширить путем перехода на более высокую версию.
Обратите внимание: WinRHIZO предназначена прежде всего для анализа отмытых корней. Для исследования корней, растущих непосредственно в почве (in situ), Regent Instruments предлагает систему WinRHIZO Tron
Возможности WinRHIZO
В зависимости от выбранной версии система позволяет определять и анализировать:
- общую длину корней;
- средний диаметр;
- общую площадь и объем;
- количество кончиков, разветвлений и пересечений;
- количество клубеньков — с интерактивным ручным подсчетом;
- распределение длины, площади, объема и количества кончиков по классам диаметра;
- морфологические параметры корней в зависимости от цвета;
- морфологию и связность отдельных сегментов корневой системы;
- топологию корневой системы;
- порядок ветвления и архитектуру корней;
- архитектуру корневой системы с использованием фрактального анализа;
- площади отдельных цветовых классов или групп цветов;
- отдельные корневые системы, проростки и другие несоприкасающиеся объекты на одном изображении — в версии Arabidopsis.
Результаты анализа отображаются непосредственно поверх исходного изображения. Например, отдельные участки корней могут обозначаться различными цветами в соответствии с классами диаметра. Одновременно программа формирует гистограммы распределения параметров корневой системы и выводит результаты количественных измерений.
Анализ образца промытых корней
Анализ корней в четыре этапа
1. Подготовка и размещение образцов
Отмытые корни можно размещать непосредственно на стекле сканера или в специальных герметичных прозрачных поддонах Regent Instruments. Использование поддонов позволяет сканировать корни в жидкости, благодаря чему их легче расправлять и размещать для получения изображения. При этом корни могут перекрываться и не требуют случайного распределения по поверхности.
Сканеры Regent Instruments могут комплектоваться системой позиционирования образцов. В WinRHIZO предусмотрены готовые варианты расположения областей сканирования, что позволяет отказаться от традиционного предварительного просмотра (Preview) и экономить около 30 секунд при каждом сканировании. Пока один образец сканируется или анализируется, оператор может подготовить следующий.
2. Получение изображения
WinRHIZO непосредственно управляет совместимым сканером. После выбора положения образца пользователь запускает сканирование из интерфейса программы, после чего полученное изображение появляется в рабочем окне.
Сканеры, предлагаемые Regent Instruments для WinRHIZO, имеют ряд особенностей, важных для количественного анализа биологических образцов:
- двойную систему освещения для получения изображений корней без теней;
- постоянную калибровку для повышения точности размерных измерений;
- систему позиционирования корней и поддонов;
- совместимость TWAIN-драйвера с программным обеспечением Regent Instruments.
Качество исходного изображения непосредственно влияет на результаты анализа. В частности, тени от объемных корней могут иметь близкие к самим корням уровни серого, что затрудняет определение их границ. Поэтому производитель рекомендует использовать сканеры, адаптированные для научного анализа биологических объектов.
3. Автоматический анализ корневой системы
Через несколько секунд после сканирования WinRHIZO выполняет анализ изображения. Обнаруженные корни обозначаются цветными линиями в соответствии с классами диаметра. Для определения длины и диаметра используются метод Regent Instruments и статистический метод Теннанта. В методе Regent Instruments измерения выполняются непрерывно в каждой точке вдоль корня, при этом учитываются перекрытия корней в местах ветвления и на кончиках для повышения точности измерения длины и площади.
Некоторые операции выполняются автоматически, тогда как отдельные виды анализа, включая подсчет клубеньков, цветовой и топологический анализ, предполагают участие оператора. WinRHIZO может работать не только с изображениями, непосредственно полученными со сканера, но и с файлами TIFF, JPEG, PNG, JPEG2000 и BMP. Поддерживается анализ несжатых изображений размером более 4 ГБ.
Измерение диаметра и объема корней
В WinRHIZO предусмотрено два варианта определения общего объема корней:
- Estimated Volume — расчетный объем, определяемый на основании проекционной площади и длины корней;
- Measured Volume — измеренный объем, рассчитываемый по значениям диаметра для пикселей вдоль корня.
4. Сохранение результатов
После завершения анализа данные могут сохраняться автоматически. Результаты записываются в текстовые файлы ASCII, которые можно открывать и обрабатывать в различных программах, включая Microsoft Excel. Исходные изображения и результаты их анализа также можно сохранять для последующей проверки, повторного анализа или визуализации в другом программном обеспечении.
Анализ морфологии корней по диаметру
Начиная с версии WinRHIZO Reg, пользователь может задавать классы диаметра и получать распределение морфологических характеристик корней по этим классам.
Для каждого диапазона диаметров могут определяться:
- длина корней;
- площадь;
- объем;
- количество кончиков.
Результаты представлены в виде гистограммы распределения. Цвета, используемые для обозначения классов на графике, также отображаются поверх анализируемых участков корней, что упрощает визуальную интерпретацию результатов.
Расширенный анализ корневой системы
Версии WinRHIZO Pro и Arabidopsis предоставляют дополнительные инструменты для исследования структуры и архитектуры корней.
Анализ сегментов корневой системы (Link Analysis)
WinRHIZO позволяет исследовать морфологию и базовую связность отдельных сегментов корневой системы. Для всей системы и отдельных сегментов доступны такие параметры, как количество сегментов, длина, диаметр, площадь, объем и угол ветвления.
Топологический анализ
Топологический анализ предназначен для более подробного исследования связности корневой системы. В числе рассчитываемых параметров:
- Magnitude — количество внешних сегментов, отходящих от рассматриваемого сегмента;
- Path Length — количество сегментов между выбранным сегментом и базовым сегментом;
- External Path Length — сумма длин путей всех внешних сегментов;
- Altitude — максимальная длина пути.
Анализ развития и архитектуры
WinRHIZO может определять порядок формирования сегментов по мере роста растения. Сегменты одинакового порядка могут объединяться в оси (Axis), после чего для различных порядков и осей рассчитываются морфологические параметры. Программа также поддерживает анализ архитектуры корневой системы с использованием фракталов.
Для корректного топологического анализа и анализа развития необходима сохраненная связность корневой системы. Производитель не рекомендует использовать эти методы для поврежденных или чрезмерно плотных корневых систем, в которых невозможно надежно проследить отдельные сегменты.
Цветовой анализ WinRHIZO
Версии Pro и Arabidopsis позволяют выполнять количественный анализ цвета. Пользователь задает интересующие цвета объектов и окружающего фона, после чего WinRHIZO классифицирует цвета изображения и выполняет соответствующие морфологические измерения.
Цветовой анализ может использоваться для:
- определения морфологии корней в зависимости от цвета;
- анализа корней на различных фонах;
- измерения площади листьев;
- количественной оценки повреждения листьев заболеваниями и насекомыми;
- оценки роста надземной части растений;
- определения площади отдельных цветов или групп цветов.
Для надежного цветового анализа необходим достаточный контраст между исследуемыми объектами и окружающим фоном.
Морфология корней (длина, площадь) в зависимости от цвета
WinRHIZO Arabidopsis — анализ нескольких проростков
WinRHIZO Arabidopsis — наиболее функциональная версия программы, предназначенная в том числе для исследования молодых проростков, выращиваемых в чашках Петри или лотках.
Программа автоматически распознает несоприкасающиеся объекты и обозначает их разными цветами, после чего каждый объект может быть проанализирован отдельно. Наряду с индивидуальными измерениями доступны общие результаты для всех объектов на изображении или выбранной области.
Для отдельных объектов могут определяться:
- количество кончиков, разветвлений и пересечений;
- параметры отдельных сегментов корневой системы;
- топология и характеристики развития;
- количество и длина основных и боковых корней;
- количество клубеньков — интерактивно;
- количество проростков;
- площадь отдельных цветовых классов или групп.
Также можно определять габаритные размеры объекта — например, высоту и ширину растения при съемке сбоку или длину и ширину листа при съемке сверху. При этом соприкасающиеся объекты и слишком плотные корневые системы не могут надежно анализироваться индивидуально в полностью автоматическом режиме. Для автоматического распознавания также необходим достаточный контраст объектов относительно фона.
Дополнительные возможности WinRHIZO
В зависимости от версии программное обеспечение предоставляет инструменты для:
- выбора или исключения пользовательских областей изображения из анализа;
- редактирования изображений и удаления артефактов;
- интерактивного и пакетного анализа;
- создания заранее заданных областей анализа, например на различной глубине почвы;
- сохранения и печати изображений с аналитической разметкой или без нее;
- фильтрации посторонних объектов по площади и форме, а в Pro и Arabidopsis — также по цвету.
Круглые области анализа, например, могут использоваться при работе с корнями в чашках Петри, а области произвольной формы — для раздельного исследования близко расположенных корней.
XLRhizo — визуализация и обработка результатов
Для дополнительной обработки результатов Regent Instruments предлагает вспомогательную программу XLRhizo, работающую в Microsoft Excel (Excel приобретается отдельно).
XLRhizo позволяет распределять результаты WinRHIZO по отдельным листам в зависимости от типа анализа, объединять результаты одной корневой системы, полученные при анализе нескольких изображений, а также строить графическое представление измеренных параметров. Это особенно удобно, если корневая система слишком большая или плотная и ее необходимо разделить на несколько частей для сканирования.
Преимущества WinRHIZO
- Высокая информативность анализа. Система позволяет перейти от базового измерения длины и диаметра корней к исследованию распределения по диаметрам, топологии, архитектуры и цветовых характеристик.
- Автоматизация измерений. Получение изображения, анализ и сохранение результатов объединены в едином рабочем процессе.
- Работа с перекрывающимися корнями. Метод измерения Regent Instruments учитывает перекрытия в областях ветвлений и кончиков.
- Научно ориентированная система получения изображений. Калиброванные сканеры Regent Instruments оснащаются двойной системой освещения для уменьшения теней при работе с объемными образцами.
- Выбор уровня функциональности. Четыре версии WinRHIZO позволяют подобрать программное обеспечение под конкретные задачи — от базовых морфологических измерений до анализа архитектуры и нескольких проростков.
- Работа с большими изображениями. 64-битная версия позволяет анализировать несжатые изображения размером более 4 ГБ.
- Бессрочная лицензия. Для программного обеспечения не требуется ежегодное продление лицензии, активация или подключение к интернету. В состав каждой лицензии входят 32- и 64-битная версии. Производитель также предусматривает возможность последующего обновления и перехода на более функциональную версию.
