RGB والتصوير الطيفي الجذر فينوتيبينج النباتية والبحوث الفسيولوجية: الإعداد التجريبية والتصوير البروتوكولات

الهدف العام من هذا الإجراء هو الحصول على معلومات شاملة عن جذور النباتات التي تنمو في صناديق جذرية مملوءة بالتربة من خلال الجمع بين طرق التصوير المختلفة. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على الأسئلة الرئيسية في مجال الأنماط الظاهرية للنبات وتكاثره ، مثل مساهمة بنى الجذور المختلفة ، في تحسين مقاومة الإجهاد اللاأحيائي. الميزة الرئيسية لهذا النهج هي أنه يجمع بين تصوير RGB لبنية الجذر والتصوير الفائق الطيفي لوظائف الجذر.

تمتد إمكانات استخدام التصوير الفائق الطيفي للجذور نحو مجموعة واسعة من معلمات الجذور لأن المعلومات الطيفية يمكن أن تكشف عن تغييرات فيزيائية كيميائية صغيرة الحجم أدخلتها جذور النباتات. يعد العرض المرئي لهذه الطريقة أمرا بالغ الأهمية حيث يجب أن تتم خطوات ملء صندوق الجذور بعناية. خلاف ذلك ، سيتأثر نمو الجذور ورؤية الجذر سلبا.

ابدأ هذا الإجراء بإعداد صناديق الجذور لملء الركيزة كما هو مفصل في بروتوكول النص. قم بترطيب التربة الجافة مسبقا إلى محتوى مائي بقياس الجاذبية يبلغ 0.108 جرام لكل جرام عن طريق إضافة 400 جرام من الماء ل 3،705 جرام من التربة الجافة. امزج التربة والماء برفق للحصول على توزيع متجانس للمياه.

بتعطيل المجاميع الأكبر يدويا للحفاظ على حجم الجسيمات أصغر من أو يساوي ملليمترين. من الأهمية بمكان الحصول على طبقة متجانسة من التربة بجوار نافذة مراقبة الغاز لتجنب فجوات الهواء. تجف أطراف جذر النباتات بسرعة ، وتنمو إلى فجوات هوائية.

كما تتأثر سلبا جودة الصورة الطيفية لرسم خرائط المياه. املأ التربة المبللة مسبقا في صناديق الجذور المفتوحة وضغطها برفق باستخدام لوح البوليسترين لتغطية الحجم الداخلي للصندوق ، مما ينتج عنه كثافة ظاهرية متجانسة تبلغ 1.3 جرام لكل سنتيمتر مكعب. أضف الكمية المتبقية من الماء لتحقيق المحتوى المائي المستهدف البالغ 0.31 سم مكعب لكل سنتيمتر مكعب عن طريق الرش على السطح بزجاجة رذاذ.

تأكد من حجم قطرة صغير لتجنب تدهور بنية السطح ، وكذلك الترطيب المتجانس. حافظ على توازن الصندوق أثناء الرش لمراقبة كمية الماء المضافة فعليا إلى الركيزة. دع الماء يعاد توزيعه لمدة 10 دقائق ثم اضغط على الزجاج على السطح وثبته بالقضبان المعدنية الجانبية.

متوسط الوزن النهائي لصناديق الجذور ذات الركيزة المبللة 17 ، 818 زائد أو ناقص 68 جراما. تجهيز غرفة المناخ بثمانية مصابيح LED توفر إضاءة متجانسة تبلغ 450 ميكرومول لكل متر مربع في الثانية مع قمم طيفية عند 440 و 660 نانومتر لتحقيق النمو الأمثل للنبات. بعد ضبط المعلمات المحيطة وفقا للاحتياجات النباتية والتجريبية ، قم بتغطية النافذة الزجاجية بلوحة خشبية للحفاظ على منطقة الجذر في الظلام وتجنب نمو الطحالب بسبب اختراق الضوء عبر السطح الزجاجي.

ثم ضع صناديق الجذور بميل 45 درجة باستخدام إطار معدني مناسب. هذا يزيد من نمو الجذور نحو السطح الزجاجي بسبب الجاذبية. لتصوير جذر RGB ، قم بإضاءة صندوق الجذور باستخدام أربعة أنابيب إضاءة فلورية بقوة 24 وات متصلة على مسافة 80 سم من صندوق الجذور.

قم أيضا بتركيب أربعة أنابيب للأشعة فوق البنفسجية بقوة 15 واط على بعد 20 سم من الإضاءة البديلة لصندوق الجذور ، مع الاستفادة من التألق الذاتي للجذر في حالة التباين المنخفض بين خلفية الركيزة ذات الألوان الزاهية والجذرية. قم بتشغيل مصابيح الأشعة فوق البنفسجية ثم قم بتركيب صندوق الجذور ليتم تصويره في حامل صندوق التصوير. بعد ذلك ، التقط صورتين لتغطية النصف العلوي والسفلي من صندوق جذري بتداخل يبلغ حوالي ثلاثة سنتيمترات.

الحصول على صور RBG ومعالجتها كما هو مفصل في بروتوكول النص. أخيرا ، قم بتشغيل تحليل صور جذر RBG المكتسبة ثم تحكم فيما إذا كانت هناك مناطق غير متطابقة. في هذه الحالة، حدد منطقة استبعاد وأعد تشغيل التحليل.

بالنسبة للجذور غير المصنفة، أضف فئات ألوان إضافية وأعد تشغيل التحليل. بالنسبة للعناصر المصنفة خطأ على أنها جذور، قم بتنشيط أو زيادة خيارات تصفية الحطام والحواف الخشنة. قم بإجراء الحصول على الصور عن طريق تحديد أوقات تكامل الكاميرا أولا لمسح صندوق الجذور والمعيار الأبيض في برنامج الكاميرا.

للقيام بذلك ، افتح واجهة المستخدم الرسومية للتصوير وحرك الكاميرا إلى موضع صندوق الجذور حيث توجد الجذور. اضبط وقت تكامل الكاميرا التي تستهدف جسما خفيفا بطريقة يتم فيها استخدام ما يقرب من 85٪ من النطاق الديناميكي الكامل للكاميرا على الرسم البياني الذي يعرضه البرنامج. يعد ضبط وقت التكامل بشكل صحيح للركائز والأنسجة الجذرية المختلفة أمرا بالغ الأهمية للاستفادة الكاملة من النطاق الديناميكي لكاميرا الأشعة تحت الحمراء عن طريق تجنب أي فقدان للمعلومات عن طريق تجاوز نطاقها.

كرر العملية للمعيار الأبيض عن طريق تحريك نظام تحديد موضع الكاميرا لاستهداف المعيار الأبيض قبل إغلاق برنامج الكاميرا. بعد ذلك ، افتح واجهة المستخدم الرسومية للتصوير Matlab وأدخل جميع الإعدادات من فحص rhizobox الحالي. احصل على المعايير الداكنة والبيضاء قبل كل تشغيل تصوير مرة واحدة في اليوم.

يمثل المعيار المظلم ضوضاء الكاميرا ، بينما يعطي المعيار الأبيض أقصى قدر من الانعكاس. هذه البيانات مطلوبة لتطبيع الصورة أثناء المعالجة المسبقة. حدد ما إذا كان صندوق الجذور بأكمله أو جزءا منه فقط قد تم مسحه ضوئيا.

بالنسبة للحالة الحالية ، يتم تصوير صناديق الجذور بأكملها. ثم ابدأ الفحص. للقياس الطيفي لمحتوى الماء ، هناك حاجة إلى صندوق جذري للمعايرة.

قسم صندوق الجذور إلى مقصورات بحجم خمسة سنتيمترات باستخدام صفائح البوليسترين لملئها بالتربة بمحتويات مائية مختلفة. امسح صندوق جذور المعايرة ضوئيا بنفس الإعدادات المستخدمة في صناديق الجذور المزروعة. على سبيل المثال ، للجمع بين سمات الجذر وفوق سطح الأرض ، احصل على مقياس مسامية الأوراق لقياس توصيل الثغور.

قم بموازنة الجهاز مع الظروف المحيطة لمدة ساعة واحدة على الأقل في غرفة المناخ. خذ قياسات من ثلاث أوراق على الأقل لكل نبات. تظهر هنا صورة تمثيلية لنمو الجذر لصنف بنجر السكر ، Ferrara ، بناء على تصوير RGB.

بعد 35 يوما من البذر ، استطالت جذور النبات لتصل إلى قاع صندوق الجذور. تعذر تقسيم بعض محاور الجذر الموجودة في الجزء العلوي من صندوق الجذور من صور RGB. شيخوخة الجذور القاعدية القديمة يغير لونها إلى اللون البني.

لذلك يفشل الفصل بين هذه الجذور وخلفية التربة بناء على عتبة اللون. باستخدام التصوير الفائق الطيفي ، يعتمد التجزئة على سمات طيفية مختلفة لمقدمة الجذر وخلفية التربة. هذا يحسن نتيجة التجزئة.

الاختلافات في طول الجذر المقاس للصورة المرجعية المتعقبة يدويا هي 1.5٪ فقط علاوة على ذلك ، يسمح التصوير الطيفي برسم خرائط دقيقة لمحتوى الماء حول الجذر لاستنتاج امتصاص الماء. فيما يلي الهيكل العظمي للجذر يظهر باللون الأسود. تظهر المناطق الأخف مناطق ذات استنفاد أعلى للمياه بالقرب من محاور الجذر.

بينما تمثل المناطق الزرقاء الداكنة المناطق ذات المحتوى المائي الأعلى للتربة خارج متناول الجذور. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية ملء صناديق الجذور بشكل صحيح من أجل ضمان نمو الجذور والرؤية المرضية. هذا هو الأساس للتصوير اللاحق ونتائج التنميط الظاهري للجذر التمثيلي.

باتباع هذا الإجراء ، يمكن تنفيذ طرق أخرى للتصنيف الطيفي مثل تجميع K-means أو آلات ناقلات الدعم للحصول على معلومات متعمقة حول خصائص الجذر والجذور مثل شيخوخة الجذر وتحلله. بمجرد إنشائها ، تتيح لك هذه التقنية أنظمة جذر النمط الظاهري بشكل شامل واستجابة الإجهاد اللاأحيائية. يمكن وصف مجموعة من 10 أصناف بمدة تجريبية إجمالية تقل عن ثلاثة أشهر.