FLANDERS' FOOD RADAR

3D-visualisatie van fruitweefsel

Vruchtweefsel heeft een complexe microscopische en submicroscopische structuur, met duidelijk te onderscheiden componenten. Met behulp van X-stralen-microcomputer tomografie (microCT) is het mogelijk om de 3D-microstructuur van het weefsel van appel en peer te visualiseren.

In vruchtweefsel worden conglomeraten van cellen doorweven met een netwerk van intercellulaire poriën die instaan voor uitwisseling van water en metabole gassen met de omgeving. Bovendien bestaan plantaardige producten uit verschillende weefseltypes zoals de epidermis (incl. cuticula), het cortex parenchymweefsel en het vasculair weefsel, elk met sterk verschillende structurele samenstelling en eigenschappen.

Via X-stralen-microcomputertomografie wordt op basis van transmissiebeelden vanuit verschillende invalshoeken een driedimensionale reconstructie van het weefsel gemaakt. Recent werden in het kader van een project met de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Grenoble, Frankrijk) in vivo synchrotron microCT-beelden met een pixelresolutie van 0.7 micron van parenchym, epidermis en vaatbundels van appel en peer gemaakt waarop individuele cellen en voor het eerst in de literatuur zelfs celwanden zichtbaar zijn. De 3D-tomografische beelden zullen verwerkt worden om te komen tot virtuele vruchtmodellen die voor het eerst een totaal inzicht zullen geven in het effect van de vruchtmorfologie in relatie tot kwaliteit en bewaring.

Figuur 1: Synchrotron x-stralen tomograaf in ESRF (Grenoble, Frankrijk) voor de visualisatie van een staal van Conferencepeer en Jonagoldappel

Microtomografie van peer- en appelcortex

Appelcortexcellen zijn groot en de poriën zijn onregelmatige, al dan niet verbonden grote ruimten tussen de cellen (Figuur 2a). In Conferencepeer vinden we kleine cellen terug met een uitgesproken netwerk van smalle poriën rondom elke cel (Figuur 2b).

 

Figuur 2: 3D-visualisatie van een cel en de omsluitende poriën in de cortex van (a) Jonagoldappel doorsnede = +/- 200 micron) en (b) Conferencepeer (cel doorsnede = +/- 100 micron)

In Jonagold hebben de poriën een preferentiële oriëntatie , met name van de schil richting klokhuis, wat bijdraagt tot de snelle aan- en afvoer van ademhalingsgassen (Figuur 3a). Het poriënnetwerk in peer is een continuüm dat doorheen de ganse cortex verweven is, slechts onderbroken door de clusters van steencellen (Figuur 3b).

Figuur 3: 3D-visualisatie van de poriënruimte in de cortex van (a) Jonagoldappel en (b) Conferencepeer (staaldimensie = +/- 700 micron)

Effecten op gasuitwisseling, bewaring en kwaliteit

Het cellulair metabolisme van fruit is de basis voor celonderhoud, het falen ervan leidt tot celdood en is gerelateerd aan interne gebreken zoals bruinverkleuring en holtevorming. De metabole processen vereisen aan- en afvoer van gassen doorheen de karakteristieke architectuur van het weefsel. Ons begrip van die uitwisselingsmechanismen wordt grotendeels bepaald door het inzicht in de weefselstructuur. De gemiddelde porositeit in de 3D-beelden van peer- en appelcortex zijn respectievelijk gelijk aan 5.1 ± 1.5% en 23.0 ± 4.0%. De zuurstofdiffusiecoëfficiënten van beide weefsels zijn niet recht evenredig aan de porositeit: 2.8 ± 1.5 ´ 10-10 m2 s-1 voor peer and 70.9 ± 45.6 (s.d.) ´ 10-10 m2 s-1 voor appel. Daarom is het ook noodzakelijk de connectiviteit en tortuositeit van de microstructuur in detail te bestuderen bij gasuitwisseling. De 3D-tomografische beelden zijn een uitstekende basis voor verder onderzoek in die richting.

Methode voor synchrotron X-stralen tomografie

Cylindrische stalen met een diameter van 5 mm uit de cortex van Jonagoldappel en Conferencepeer werden gebruikt voor visualisatie in een PMMA tube afgesloten met een polymeerfolie tegen dehydratatie van het staal tijdens de meting (Figuur 1). Experimenten werden uitgevoerd in het experimenteel station ID19 van de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Grenoble, Frankrijk). Dit is een lange synchrotron x-straling bundellijn (150 m) met een hoge ruimtelijke coherentie. Deze lijn gebruikt 18-keV photonen om het staal te bestralen. De transmissiestraling werd gemeten met een x-stralen/zichtbaar licht converter op een FReLoN camera, met een 2048 x 2048 pixel chip. In absorptiemode was de resolutie 1.4 µm, in fasecontrastmode (grotere afstand tussen detector en staal) 0.7 µm. Deze laatste liet ook visualisatie toe van subpixelranden tussen structuren, zoals celwanden. De dataset bestond uit een totaal van 900 tot 1200 projecties per staal onder verschillende hoeken en een bestralingstijd van 0.5 seconden per beeld. De tomograpfische reconstructie werd uitgevoerd met een gefilterde achterwaartse projectiemethode door middel van de software PyHST (ESRF), na bewegingscorrecties met de GNU Octave software (http://www.gnu.org/software/octave/). De volumeanalyse en visualisatie werd uitgevoerd met Amira (Mercury Computer Systems, Chelmsford, MA).

Dit werk werd uitgevoerd met ESRF beamtijd (experiment MA222) en steun van K.U.Leuven (project IDO/00/008 en OT 04/31, PhD beurs voor H.K. Mebatsion en Q.T. Ho). Dit onderzoek werd uitgevoerd in het kader van EU COST action 924.

Nuttige links