Vous avez peut-être appris dans votre enfance que chaque année un arbre développe un nouvel anneau autour de son noyau, et vous pouvez faire vieillir une souche d'arbre en comptant les anneaux. Il y a beaucoup plus de données dans un anneau d'arbre que cela. La taille et les propriétés de cet anneau peuvent fournir des données sur le climat cette année-là. En effet, les arbres peuvent être des enregistreurs climatiques, conservant un journal littéral des données. Une nouvelle technique basée sur la tomodensitométrie avancée aux rayons X développé par le professeur Jan Van den Bulcke et ses collègues pourrait fournir un meilleur accès à ces données que jamais.
Dans ce contexte, CT signifie tomographie informatisée. Les scientifiques scannent un échantillon sous différents angles, puis assemblent les résultats pour créer des images 3D, visualisables également sous forme de coupes transversales. C'est comme si l'on pouvait « voler » à travers le volume numérique. Van den Bulcke et ses collègues ont mis au point un système d'imagerie plus performant grâce à un système de numérisation fonctionnant à différentes échelles et avec une résolution supérieure.
Il peut sembler que les échelles multiples constituent une approche particulière. Pourquoi ne pas numériser à la plus haute résolution ? Comme Van den Bulcke l'a expliqué, ce n'est pas une solution pratique. « Évidemment, tout numériser à la meilleure résolution est ce que tout le monde veut. Cependant, le temps nécessaire pour numériser un objet entier et les volumes de données finaux évoluent lorsque vous augmentez la résolution. De plus, la résolution est également limitée par la taille de l'objet : il n'est pas possible d'avoir un grand objet, disons 10 cm de diamètre, balayé à une résolution submicronique. Numériser tout à la résolution la plus fine peut également être inefficace. Il est avantageux de numériser à une résolution inférieure, par exemple pour l'analyse des cernes, puis de zoomer sur des détails anatomiques intéressants sur des sections de carottes, telles que des années spécifiques, sur la base de cette première analyse.
La technique a été perfectionnée sur une variété d'espèces. "Nous avons pris une variété d'espèces couramment étudiées en paléoclimatologie comme le pin sylvestre (Pinus sylvestris), avec la densité maximale du bois final (MXD) comme indicateur le plus sensible des reconstructions climatiques », a déclaré Van den Bulcke. "Nous avons également examiné des espèces dont l'anatomie peut servir de proxy pour le climat ou révéler des informations écologiques sur l'arbre, ou des espèces pour lesquelles les anneaux de croissance des arbres sont étudiés dans la gestion forestière, comme les espèces de chêne (Quercus sp.), hêtre commun (Fagus sylvatica) et le bouleau à papier (Betula pendula). L'idée principale était de montrer que n'importe quel type d'espèces ligneuses peut être manipulé et de se rapporter à des espèces bien connues et couramment étudiées.
Il est essentiel de pouvoir observer toutes les espèces avec des cernes, car tous les arbres ne produisent pas les cernes de la même manière. L'équipe de Van den Bulcke a scanné des échantillons difficiles pour tester leur système. "Nous avons initialement appliqué la tomodensitométrie aux rayons X sur les arbres angiospermes tropicaux du bassin du Congo, qui ont une structure en anneaux d'arbres difficile en raison d'une saisonnalité plus faible. Tous les échantillons sont possibles, allant des tropiques jusqu'aux régions où les arbres ou arbustes poussent à leurs limites extrêmes : Rhododendron des échantillons du plateau tibétain, par exemple, pourraient également être scannés. Bien sûr, la possibilité de discerner ou non les limites des cernes (c'est-à-dire la zone dans le bois où se termine la cerne de cette année et où commence une nouvelle cerne de l'année suivante) dépend de l'espèce, plus précisément du type de caractéristique anatomique. qui détermine cette limite et quelle résolution est nécessaire pour visualiser cette limite. De plus, la série chronologique réelle dépendra de la qualité de la datation croisée, et cela dépend de la région/du site où les échantillons ont été scannés.
S'attaquer aux rencontres croisées est un problème sur lequel l'équipe a déjà travaillé. Un modèle d'une série d'années pourrait être comme un code-barres dans l'anneau de l'arbre. Trouvez une correspondance dans les codes-barres de deux échantillons et vous pourrez les assembler pour créer un enregistrement climatique plus long. Cependant, les données de largeur ne sont qu'une partie de l'échantillon. Le La tomodensitométrie à rayons X permet également des mesures de densité afin de construire des appariements plus sûrs entre les échantillons.
Van den Bulcke se réjouit de la nouvelle recherche que la tomodensitométrie multi-échelles peut rendre possible. « Actuellement, les données MXD sont assez fastidieuses à générer. Une grande partie des reconstructions de température actuelles basées sur MXD se terminent vers les années 1980 et 1990 et ne sont pas encore suffisamment mises à jour. Il serait très intéressant de revoir certains des arbres qui ont été échantillonnés à cette époque et de les mettre à jour avec les 20 à 30 dernières années, une époque avec des changements climatiques importants. De plus, bien qu'il existe un réseau dense de chronologies de la largeur des cernes dans le Banque de données internationale sur les anneaux de croissance des arbres, le le nombre de chronologies MXD est inférieur, en partie à cause du nombre limité d'installations de densitométrie classique et des étapes de préparation des échantillons. Surtout, l'hémisphère sud compte très peu de séries MXD à ce jour. La tomodensitométrie par rayons X permet d'indiquer les limites des cernes des arbres et de dériver les séries MXD de manière très rapide. »
"Comme notre configuration actuelle permet des mesures anatomiques sur les sous-sections, algorithmes d'apprentissage automatique qui sont utilisés sur des coupes sablées ou micro peuvent aider à indiquer semi-automatiquement les fractions de tissus sur des images 3D, réduisant ainsi également le temps passé en laboratoire, tout en augmentant la taille de l'échantillon. Elle serait très complémentaire de l'approche conventionnelle, puisque les volumes de scanner à rayons X permettent d'exploiter la nature 3D du volume virtuel, qui n'a pas été beaucoup exploitée jusqu'à présent. Néanmoins, pour avoir un flux de travail efficace de l'échantillon aux données, il reste encore du travail à faire.
Un autre avantage de cette méthode est que les données qui entrent dépendent de la façon dont l'échantillon a été préparé. "Notre objectif initial était d'éviter des difficultés telles que la préparation d'échantillons pour la numérisation et d'augmenter la taille de l'échantillon." dit Van den Bulcke. « Traditionnellement, les carottes pour l'analyse des cernes sont montées sur un support. Les carottes de petit diamètre sont donc difficilement utilisables dans un montage de densitométrie classique car elles doivent être sciées avec précision en une section fine, perpendiculaire au grain, ce qui entraîne une certaine destruction de l'échantillon par la suite.
Comme vous pouvez empêcher les échantillons d'être endommagés, de nombreux autres échantillons deviennent alors réalisables pour l'étude, a déclaré Van den Bulcke. "Contrairement à la densitométrie traditionnelle, un tomodensitomètre à rayons X peut numériser des échantillons montés à partir de collections et serait donc très bien adapté pour numériser d'anciens échantillons. Bien sûr, il est toujours préférable d'avoir des échantillons qui n'ont pas été montés du tout.
L'un des commentaires intéressants de l'article est qu'il y aurait des avantages pour la communauté des sciences végétales dans son ensemble, s'il y avait une installation de numérisation centralisée. "Avec un système optimisé, un grand nombre de cœurs pourraient être scannés chaque année", a déclaré Van den Bulcke. « Bien qu'à l'avenir plusieurs systèmes de scanner à rayons X puissent exister à cet effet, nous pouvons imaginer que des groupes souhaitent toujours s'appuyer sur une installation existante plutôt que d'avoir à acquérir eux-mêmes un appareil de scanner à rayons X. Il convient de noter que si dans un avenir proche ce type de numérisation devenait une activité de routine, bien sûr, un seul scanner à rayons X ne pourrait pas traiter toutes les demandes. » Van den Bulcke pense également que le fait de disposer de quelques installations faciliterait la reproductibilité de la numérisation, en ayant des routines continues pour les numérisations. Cela permettrait également un accès fiable à l'expertise essentielle. "Une collaboration étroite avec une équipe de physiciens des rayons X permet un contrôle approprié de toutes les étapes de la chaîne d'outils", a-t-il ajouté.
Van den Bulcke voit de nombreuses opportunités pour l'utilisation de la tomodensitométrie à rayons X dans les études actuelles. « La tomodensitométrie à rayons X a été utilisée dans de nombreux domaines de recherche différents pour l'analyse 3D. La numérisation 4D, résolue en temps, est également très présente de nos jours, par exemple dans la recherche sur la cavitation. Fondamentalement, tout chercheur intéressé par la structure hiérarchique 3D d'un matériau nécessitant une imagerie non destructive pourrait tirer des informations précieuses de cette recherche, en particulier lorsqu'elle est à base de plantes. Dans certains cas, par exemple pour les plantes non ligneuses, comme Arabidopsis le matériel biologique à l'étude doit être prétraité correctement.
Bien qu'il y ait beaucoup de nouvelles découvertes potentielles à faire, il reste encore beaucoup de données à affiner, a déclaré Van den Bulcke. « Entre autres, il est nécessaire de mettre à jour les chronologies MXD actuelles, à la fois spatialement et temporellement. Cela nécessite de nouvelles campagnes de terrain. Cependant, les collections actuelles du monde entier qui contiennent des échantillons peuvent également être réanalysées pour le MXD de manière non destructive. De plus, les possibilités d'exploiter l'imagerie CT à rayons X au niveau anatomique offrent de nouvelles perspectives dans l'anatomie du bois, pour des études écologiques sur la mortalité des arbres, la cavitation, etc.
"Alors que la technique existe depuis plusieurs décennies, les appareils de tomodensitométrie à rayons X sont désormais capables de contribuer à l'ère des données volumineuses avec une résolution et une flexibilité qui ne sont réalisables que depuis une dizaine d'années. Néanmoins, des travaux doivent être faits pour optimiser les chaînes d'outils adaptées à la recherche anatomique sur les anneaux de croissance des arbres et le bois, et le traitement particulièrement efficace des données est un défi. Considérant les matériaux non ligneux, il existe également des proxys marins comme les coquillages qui peuvent être traités de la même manière que nous le présentons dans cet article.
