我们使用简单的实验工具来观察拟南芥和苜蓿的根系结构（RSA）。将幼苗在网筛上进行水培培养，并用画笔将其展开以显露根系结构。通过扫描仪或高分辨率相机拍摄图像，然后使用ImageJ软件分析并绘制性状图谱。
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摘要
摘要
全面了解植物根系构型（RSA）的发育对于提高养分利用效率以及增强作物品种对环境胁迫的耐受性至关重要。本文介绍了一种用于建立水培系统、幼苗生长、根系展开及成像的实验方案。该方法采用基于Magenta盒的水培系统，内含由聚碳酸酯楔块支撑的聚丙烯网。通过在不同养分（磷酸盐[Pi]）供应条件下评估幼苗的根系构型，展示了实验设置的具体应用。该系统最初用于研究拟南芥的根系构型，但也可轻松适用于其他植物，如Medicago sativa（苜蓿）。本研究以Arabidopsis thaliana（Col-0）幼苗为例，探讨植物根系构型。种子经乙醇和稀释的商用次氯酸钠溶液表面灭菌后，于4 °C条件下进行层积处理。种子在由聚碳酸酯楔块支撑的聚丙烯网上萌发，并在液体半量MS培养基中生长。幼苗在标准生长条件下培养所需天数后，轻柔地从网上取出，浸入含水琼脂平板中。借助圆形美术画笔，将每株幼苗的根系在充满水的平板上轻轻展开。这些培养皿通过高分辨率拍照或扫描，以记录根系构型特征。使用免费的ImageJ软件测量主根、侧根和分枝区等根系性状。本研究提供了在受控环境条件下测定植物根系特征的技术。我们详细讨论了如何（1）培养幼苗并采集与展开根系样本，（2）获取展开后的根系构型图像，（3）采集图像，以及（4）利用图像分析软件量化根系属性。本方法的优势在于能够灵活、简便且高效地测量根系构型性状。
引言
根系构型（RSA）位于地下，是植物生长和生产力的重要器官1,2,3。在胚胎发育阶段之后，植物会经历最显著的形态变化。根系在土壤中的生长方式极大地影响着地上部分的生长。根的生长是萌发的第一步，是一个具有信息指示意义的性状，因为它对不同可利用的养分具有独特的响应1,2,3,4。根系构型表现出高度的发育可塑性，这意味着植物始终利用环境信号来决定其发育路径2,5。当前环境下各种变化使得作物生产变得更加困难。根系构型持续不断地将环境信号整合到发育决策过程中5。因此，深入理解根系发育的基本原理，对于认识植物如何响应环境变化至关重要2,5。
根系构型（RSA）能够感知不同的....
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方案
整个实验方案在图1中以示意图形式进行了总结，展示了揭示植物幼苗根系结构（RSA）所涉及的所有关键步骤。具体实验步骤如下：
1. 拟南芥种子表面灭菌
- 取少量种子（约100粒 = 约2.5 mg）转移至微量离心管中，加入蒸馏水在室温（RT）下浸泡30分钟。整个操作过程需在无菌条件下进行。
- 使用台式离心机在室温下以500 × g 短暂离心5秒，使种子沉降至管底。
- 弃去上清液，加入700 µL 70%（v/v）乙醇，涡旋振荡数秒后离心。如有需要可重复涡旋和离心操作，但须确保70%乙醇处理总时间保持3分钟。
- 3分钟后立即用无菌水漂洗一次。乙醇洗涤步骤应尽量及时完成，因乙醇暴露时间过长会降低种子萌发率。
- 用稀释的商用次氯酸钠溶液（4% v/v）加入一滴Tween-20处理种子7分钟。通过快速倒置试管8–12次使种子与漂白液充分混合，随后短暂离心（室温下500 × g 离心5秒）。此时可见管内产生泡沫。
- 用1 mL移液器吸弃上清液，并用无菌水至少漂洗五次，每次均按相同涡旋程序操作。
- 将表面灭菌后的种子置于水中，在4 °C下孵育2–3天以进行层积处理10。
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结果
使用简单的实验工具测量根系构型（RSA）的不同形态计量特征，其步骤如图1所示。水培装置的细节展示了该方案在测量RSA方面的潜力（图1和图2）。
鉴于观察到的不同凝胶剂之间的差异，我们采用水培培养系统进行所有研究3,10。作为概念验证，该水培系统效果良好，能够反映出在磷（Pi）缺乏与充足条件下明显的表型差异（图3）。如图2所示，拟南芥种子在聚丙烯网架上的半量MS培养基中水培培养5天。5天后将幼苗转移至磷（Pi）缺乏和充足的条件下继续生长7天（图3）。
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讨论
本研究展示了利用简单的实验室设备进行根系构型（RSA）定位的方法。通过该方法，可以在精细水平上记录表型变化。该策略的优点在于，植物的地上部分始终不与培养基接触，因此植株的表型保持原始状态。该方法包括按照实验方案建立水培系统以培养植株，随后将每株植株完整取出并置于含琼脂的培养皿中。接着使用画笔手动展开根系，并拍摄图像，以便使用 ImageJ 软件进行分析1,10,11,12。
种子萌发需要对种子表面进行灭菌，以去除细菌、真菌和病毒。通常使用70%乙醇对种子表面进行消毒。为了在不破坏种子的前提下实现有效消毒，必须严格控制酒精消毒的处理时间。若酒精处理过度，会降低种子的萌发率。不同植物物种的处理时间有所不同（例如，拟南芥的处理时间仅为3 min1,
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
我们感谢美国农业部（资助号 58-6406-1-017）对本研究的支持。同时感谢美国肯塔基州鲍灵格林市西肯塔基大学生物技术中心（WKU Biotechnology Centre, Western Kentucky University, Bowling Green, KY, USA）以及印度卢克诺印度科学与工业研究理事会中央药用与芳香植物研究所（CSIR Central Institute of Medicinal and Aromatic Plants, Lucknow, India）所长提供仪器设施与支持（CSIR CIMAP 论文通讯编号：CIMAP/PUB/2022/103）。 SS 感谢美国费城圣约瑟夫大学提供的经费支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Col 0) | Lehle Seeds | WT-02 | 哥伦比亚生态型 (Col-0**，无标记)* |
| 画笔 | Amazon 或其他供应商 | 水彩圆头画笔，型号 14 (8 mm)、16 (9.5 mm)、18 (12 mm) 和 20 (14.2 mm) | |
| 配备数字相机的自动显微镜 | Leica Microsystems | LAS 版本 4.12.0，Leica Microsystems | |
| 成像软件 | ImageJ | ImageJ V 1.8.0 | |
| Magenta 盒 GA-7 | Fisher Scientific | 50-255-176 | |
| 紫花苜蓿 (Medicago sativa) | Johnny's Seeds | ||
| 培养皿 (150 mm × 15 mm) | USA Scientific | 8609-0215 | 150 mm × 15 mm 聚苯乙烯培养皿 (https://www.usascientific.com) |
| 数码相机 | Canon 或 Nikon | 任何高百万像素（至少每英寸 12 百万像素）并支持微距模式的相机 | |
| 植物琼脂 | Sigma-Aldrich | A3301 | Agargel 适用于植物组织培养 |
| 聚碳酸酯板 | Amazon | 厚度 1 mm | |
| 聚丙烯筛网 | Amazon | 孔径 250 µm、500 µm 和 1000 µm | |
| 扫描仪 | Epson | Epson Perfection V700 Photo（扫描分辨率为 600 dpi） |
参考文献
- Shukla, D., Rinehart, C. A., Sahi, S. V. Comprehensive study of excess phosphate response reveals ethylene mediated signaling that negatively regulates plant growth and development. Scientific Reports. 7 (1), 3074(2017).
- Rellán-Álvarez, R., Lobet, G., Dinneny, J. R.
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