Name: RGB והדמיה ספקטרלי שורש הצמח Phenotyping ומחקר פיזיולוגיים: הגדרת הניסוי והדמיה פרוטוקולים (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-08T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 37 s
Description: למדו שיטת הדמיה משולבת RGB והיפרספקטרלית לפנוטיפינג שורשי צמחים בקרקע. גישה זו מאפשרת ניתוח אדריכלות שורשים ותפקודיותם לשיפור עמידות מיני צמחים ללחות אביוטית.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

המחברים להכיר למימון FWF קרן המדע האוסטרי באמצעות פרויקט מספר P 25190 B16 (שורשי ההתנגדות הבצורת). הקמת התשתית הדמיה היפרספקטרליות לחישה מרחוק נתמך כלכלית על ידי הפדרלי הממשלה של אוסטריה התחתונה (ארץ Niederösterreich) באמצעות הפרויקט K3-F-282/001-2012. מימון נוסף עבור הניסוי סלק סוכר נתקבל AGRANA מחקר &#38; GmbH מרכז חדשנות (ARIC). המחברים מודים קרייג ג'קסון על תמיכה טכנית במהלך הניסוי ותיקון האנגלית של כתב היד. אנו גם להכיר Freudhofmaier מרקוס שתרמו הממסד הגדרת הדמיה RGB ו יוזף Schodl לבנייה של הרכבה rhizobox.

<ol><li>Kutschera, L. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKutschera%2C+L+%22Wurzelatlas+mitteleurop%C3%A4ischer+Ackerunkr%C3%A4uter+und+Kulturpflanzen%22">Wurzelatlas mitteleuropäischer Ackerunkräuter und Kulturpflanzen</a>. , DLG-Verlags-GmbH, Frankfurt am Main. (1960).</li>
<li>Kenrick, P., Strullu-Derrien, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+origin+and+early+evolution+of+roots%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Physiol%22%5BJournal%5D)">The origin and early evolution of roots.</a> Plant Physiol. 166, 570-580 (2014).</li>
<li>Franklin, J., Serra-Diaz, J. M., Syphard, A. D., Regan, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Global+change+and+terrestrial+plant+community+dynamics%5BTitle%5D)+AND+%22PNAS%22%5BJournal%5D)">Global change and terrestrial plant community dynamics.</a> PNAS. 113, 3725-3734 (2016).</li>
<li>MacDonald, G. K., Bennett, E. M., Potter, P. A., Ramankutty, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Agronomic+phosphorus+imbalances+across+the+world%27s+croplands%5BTitle%5D)+AND+%22PNAS%22%5BJournal%5D)">Agronomic phosphorus imbalances across the world's croplands.</a> PNAS. 108, 3086-3091 (2011).</li>
<li>Vörösmarty, C. J., Green, P., Salisbury, J., Lammers, R. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Global+water+resources%3A+vulnerability+from+climate+change+and+population+growth%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Global water resources: vulnerability from climate change and population growth.</a> Science. 289, 284(2000).</li>
<li>Lobell, D. B., Cassman, K. G., Field, C. B. <a target="_blank" href="http://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev.environ.041008.093740">Crop yield gaps: their importance, magnitudes, and causes.</a> Annu. Rev. Environ. Resour. 34, 179-204 (2009).</li>
<li>Angus, J. F., Van Herwaarden, A. F. <a target="_blank" href="https://dl.sciencesocieties.org/publications/aj/abstracts/93/2/290">Increasing water use and water use efficiency in dryland wheat.</a> Agron. J. 93, 290-298 (2001).</li>
<li>Lassaletta, L., Billen, G., Grizzetti, B., Anglade, J., Garnier, J. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/9/10/105011/meta">50 year trends in nitrogen use efficiency of world cropping systems: the relationship between yield and nitrogen input to cropland.</a> Environ. Res. Lett. 9 (10), 105011(2014).</li>
<li>Lynch, J. P. <a target="_blank" href="https://media.eurekalert.org/aaasnewsroom/2010/FIL_000000000282/RSGR.pdf">Roots of the second green revolution.</a> Aust. J Bot. 55, 493-512 (2007).</li>
<li>Comas, L. H., Becker, S. R., Von Mark, V. C., Byrne, P. F., Dierig, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Root+traits+contributing+to+plant+productivity+under+drought%5BTitle%5D)+AND+%22Front.+Plant+Sci%22%5BJournal%5D)">Root traits contributing to plant productivity under drought.</a> Front. Plant Sci. 4, 442(2013).</li>
<li>Metcalfe, D. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+method+for+extracting+plant+roots+from+soil+which+facilitates+rapid+sample+processing+without+compromising+measurement+accuracy%5BTitle%5D)+AND+%22New+Phytol%22%5BJournal%5D)">A method for extracting plant roots from soil which facilitates rapid sample processing without compromising measurement accuracy.</a> New Phytol. 174, 697-703 (2007).</li>
<li>Kutschera, L., Lichtenegger, E., Sobotik, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKutschera%2C+L+%22Wurzelatlas+der+Kulturpflanzen+gem%C3%A4%C3%9Figter+Gebiete+mit+Arten+des+Feldgem%C3%BCsebaues%22">Wurzelatlas der Kulturpflanzen gemäßigter Gebiete mit Arten des Feldgemüsebaues</a>. , DLG-Verlag, Frankfurt am Main. (2009).</li>
<li>Gioia, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.publish.csiro.au/FP/FP16128">GrowScreen-PaGe, a non-invasive, high-throughput phenotyping system based on germination paper to quantify crop phenotypic diversity and plasticity of root traits under varying nutrient supply.</a> Funct. Plant Biol. 44, 76-93 (2017).</li>
<li>Watt, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+rapid%2C+controlled-environment+seedling+root+screen+for+wheat+correlates+well+with+rooting+depths+at+vegetative%2C+but+not+reproductive%2C+stages+at+two+field+sites%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+Bot%22%5BJournal%5D)">A rapid, controlled-environment seedling root screen for wheat correlates well with rooting depths at vegetative, but not reproductive, stages at two field sites.</a> Ann. Bot. 112, 447-455 (2013).</li>
<li>Fiorani, F., Schurr, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Future+scenarios+for+plant+phenotyping%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev+Plant+Biol%22%5BJournal%5D)">Future scenarios for plant phenotyping.</a> Annu. Rev Plant Biol. 64, 267-291 (2013).</li>
<li>Metzner, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+comparison+of+MRI+and+X-ray+CT+technologies+for+3D+imaging+of+root+systems+in+soil%3A+potential+and+challenges+for+root+trait+quantification%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Methods%22%5BJournal%5D)">Direct comparison of MRI and X-ray CT technologies for 3D imaging of root systems in soil: potential and challenges for root trait quantification.</a> Plant Methods. 11, 1(2015).</li>
<li>Choat, B., Badel, E., Burlett, R., Delzon, S., Cochard, H., Jansen, S. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/profile/Herve_Cochard/publication/294244494_Choat-et-al-2015/links/56bf0bf408ae2f498ef7e2f9.pdf">Non-invasive measurement of vulnerability to drought induced embolism by X-ray microtomography.</a> Plant Physiol. 170, 273-282 (2015).</li>
<li>Metzner, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+comparison+of+MRI+and+X-ray+CT+technologies+for+3D+imaging+of+root+systems+in+soil%3A+potential+and+challenges+for+root+trait+quantification%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Methods%22%5BJournal%5D)">Direct comparison of MRI and X-ray CT technologies for 3D imaging of root systems in soil: potential and challenges for root trait quantification.</a> Plant Methods. 11, 1(2015).</li>
<li>Le Marié, C., Kirchgessner, N., Marschall, D., Walter, A., Hund, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rhizoslides%3A+paper-based+growth+system+for+non-destructive%2C+high+throughput+phenotyping+of+root+development+by+means+of+image+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Methods%22%5BJournal%5D)">Rhizoslides: paper-based growth system for non-destructive, high throughput phenotyping of root development by means of image analysis.</a> Plant Methods. 10, 1(2014).</li>
<li>Bengough, A. G., et al. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1023/B:PLSO.0000037029.82618.27">Gel observation chamber for rapid screening of root traits in cereal seedlings.</a> Plant Soil. 262, 63-70 (2004).</li>
<li>Nagel, K. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.publish.csiro.au/FP/FP12023">GROWSCREEN-Rhizo is a novel phenotyping robot enabling simultaneous measurements of root and shoot growth for plants grown in soil-filled rhizotrons.</a> Funct. Plant Biol. 39, 891-904 (2012).</li>
<li>Price, A. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378429002000126">Upland rice grown in soil-filled chambers and exposed to contrasting water-deficit regimes: I. Root distribution, water use and plant water status.</a> Field Crops Res. 76, 11-24 (2002).</li>
<li>Vadez, V. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378429014000872">Root hydraulics: the forgotten side of roots in drought adaptation.</a> Field Crops Res. 165, 15-24 (2014).</li>
<li>Dane, J. H., Hopmans, J. W. Pressure plate extractor. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aDane%2C+JH+%22Methods+of+soil+analysis.+Part+4.+Physical+methods%22">Methods of soil analysis. Part 4. Physical methods</a>. Dane, J. H., Topp, G. C. , SSSA Inc. Madison, Wisconsin, USA. 688-690 (2002).</li>
<li>Wösten, J. H. M., Pachepsky, Y. A., Rawls, W. J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169401004644">Pedotransfer functions: bridging the gap between available basic soil data and missing soil hydraulic characteristics.</a> J. Hydrol. 251, 123-150 (2001).</li>
<li>Passioura, J. B. <a target="_blank" href="http://www.publish.csiro.au/FP/FP06223">The perils of pot experiments.</a> Funct. Plant Biol. 33, 1075-1079 (2006).</li>
<li>Dorrepaal, R., Malegori, C., Gowen, A. <a target="_blank" href="http://www.impublications.com/content/abstract?code=J24_0089">Tutorial: Time series hyperspectral image analysis.</a> J. Near Infrared Spec. 24, 89-107 (2016).</li>
<li>Kim, D. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+sensitive+image-derived+indices+of+water-stressed+plants+using+hyperspectral+imaging+in+SWIR+and+histogram+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Scie+rep%22%5BJournal%5D)">Highly sensitive image-derived indices of water-stressed plants using hyperspectral imaging in SWIR and histogram analysis.</a> Scie rep. 5, (2015).</li>
<li>Humplík, J. F., Lazár, D., Husičková, A., Spíchal, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automated+phenotyping+of+plant+shoots+using+imaging+methods+for+analysis+of+plant+stress+responses-a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Methods%22%5BJournal%5D)">Automated phenotyping of plant shoots using imaging methods for analysis of plant stress responses-a review.</a> Plant Methods. 11, 29(2015).</li>
<li>Lobell, D. B., Asner, G. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Moisture+effects+on+soil+reflectance%5BTitle%5D)+AND+%22Soil+Sci.+Soc.+Am.+J%22%5BJournal%5D)">Moisture effects on soil reflectance.</a> Soil Sci. Soc. Am. J. 66, 722-727 (2002).</li>
<li>Esquerre, C., Gowen, A. A., Burger, J., Downey, G., O'Donnell, C. P. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169743912000408">Suppressing sample morphology effects in near infrared spectral imaging using chemometric data pre-treatments.</a> Chemometr. Intell. Lab. 117, 129-137 (2012).</li>
<li>Williams, P. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Localized+flux+maxima+of+arsenic%2C+lead%2C+and+iron+around+root+apices+in+flooded+lowland+rice%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Localized flux maxima of arsenic, lead, and iron around root apices in flooded lowland rice.</a> Environ Sci. Technol. 48, 8498-8506 (2014).</li>
<li>Cseresnyés, I., Takács, T., Végh, K. R., Anton, A., Rajkai, K. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1164556312001021">Electrical impedance and capacitance method: a new approach for detection of functional aspects of arbuscular mycorrhizal colonization in maize.</a> Eur. J Soil Biol. 54, 25-31 (2013).</li>
<li>Brown, M., Lowe, D. G. <a target="_blank" href="http://matthewalunbrown.com/papers/ijcv2007.pdf">Automatic panoramic image stitching using invariant features.</a> Int. J. Comput. Vision. 74, 59-73 (2007).</li>
<li>Jiang, Y., Li, C., Takeda, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nondestructive+detection+and+quantification+of+blueberry+bruising+using+near-infrared+%28NIR%29+hyperspectral+reflectance+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Nondestructive detection and quantification of blueberry bruising using near-infrared (NIR) hyperspectral reflectance imaging.</a> Scientific Reports. 6, 35679(2016).</li>
<li>Chang, C. -W., Laird, D. A., Mausbach, M. J., Hurburgh, C. R. <a target="_blank" href="http://lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1718&context=abe_eng_pubs">Near-infrared reflectance spectroscopy-principal components regression analyses of soil properties.</a> Soil Sci. Soc. Am. J. 65, 480-490 (2001).</li>
<li>Leitner, D., Felderer, B., Vontobel, P., Schnepf, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recovering+root+system+traits+using+image+analysis+exemplified+by+two-dimensional+neutron+radiography+images+of+lupine%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Physiol%22%5BJournal%5D)">Recovering root system traits using image analysis exemplified by two-dimensional neutron radiography images of lupine.</a> Plant Physiol. 164 (1), 24-35 (2014).</li>
</ol>

המחברים אין לחשוף.

הפרוטוקולים לספק שתי גישות משלימות של קרקע גדל לדימות מערכת השורשים. שלב קריטי עבור תוצאות ניסויי אמינות הוא מילוי של rhizoboxes כי יש להבטיח שכבת המצע הומוגנית ואפילו על החלון הקדמי כדי לספק קשר שורש צמוד-קרקע-חלון התצפית ולהימנע הפערים האוויר. זו הסיבה העיקרית לשימוש יחסית בסדר אדמת sieved &#60; 2 מ מ: אגרגטים גדולים יותר לגרום גבוה משטח מורפולוגיה-חלון התצפית עם חללים בין אגרגטים. מלבד סיכון גבוה יותר של שורשים עצה התייבשות, זה גם דורש טכניקות עיבוד תמונה מורכבת יותר עבור מים מיפוי31.
שינויים בפרוטוקול לכן להתמקד מילוי משופר ומהיר של rhizoboxes. כעת מילוי זמן הוא כ 30 דקות לארגז. יתר על כן השימוש rhizoboxes עם שני חלונות זכוכית עבור הדמיה של הצדדים והן שינויים כדי למטב את ההומוגניות תאורה לתמונות RGB טוב יותר נבדקים. הארכה נוספת של חומרה שתשקול גם שילוב של מישורי optodes32 , כמו גם קיבול הדמיה33 לתוך המערכת rhizobox. עם זאת זה מעבר פעילויות שדרוג.
תוכנה שינויים מתמקדים הרשמה תמונה אוטומטי נתיך העליון והתחתונים RBG תמונות34. עבור היפרספקטרליות הדמיה מתקדמות ללא השגחה הדמיה ניגש28 , כמו גם שיטות זיהוי המטרה תחת פיקוח יותר רגישים כגון SVMs35 נבדקים. ובכך מידע היפרספקטרלי העלול לאפשר להערכה מרובים קרקע, rhizosphere ושורש מאפיינים36. יתר על כן הוא נועד לפתח (חצי) automatized תוכנה לתמונות rhizobox שורש המבוסס על גירסה שונה של מערכת השורשים מנתח37 לכמת מורפולוגי (אורך, קוטר, משטח) כמו גם מאפיינים אדריכליים (מסעף תדירות, מסעף זוויות).
המגבלה העיקרית של פרוטוקול לעומת גישות הדמיה תלת-ממדית היא ההגבלה פני השורש גלוי והמאפיינים rhizosphere. עם זאת זה הוכח כי התכונות גלוי השורש הם אמינים proxy עבור כל מערכת השורשים21. הטכניקה rhizobox בקלות בשילוב עם דגימה הרסני מסורתי (שטיפה) בקצה של צמיחה דינמי הדמיה על מנת לאמת את הקשר של גלויות לעומת מערכת השורשים הכולל תכונות. כמו יחס זה עשוי להשתנות בין המינים21, דגימה הרסני מומלץ להבטיח היסק אמין של תכונות גלויים עבור כל סדרה phenotyping חדשה עם זן חיתוך שונות.
היתרון המפתח של פרוטוקול המוצג כאן הוא השילוב של תנאי גידול ריאלי (אדמה), תפוקה גבוהה יחסית פוטנציאליים עבור הדמיה RGB ו היסק על פונקציונליות שורש (למשל, ספיגת מים) באמצעות chemometric בסיס, rhizosphere נתוני הדמיה היפרספקטרליות חנותם נפתרה. ובכך השיטות מתגבר על הגבלות היסק תפוקה גבוהה שתיל ושורש שאינם אדמת הדמיה שיטות14, בעוד היא חלקית מאפשרת phenotyping עמוק תובנות תהליכים פונקציונליים עם ניסיוני פחות מורכבות ועם תפוקה גבוהה יותר לעומת שיטות מתקדמות 3D15.
בניסויים הקרובה בפרוטוקול ישמש כדי לחקור את השפעת מיקוריזה על פיתוח מערכת השורשים והפונקציונליות של קטניות כמו גם באשר phenotyping שורש מאפייני הכיסוי חיתוך מינים ביחס מבנה הקרקע, חנקן ופחמן רכיבה על אופניים.

השורשים מספקים מספר פונקציות חיוניות כגון אחסון של הצמחים מטמיע, אנקורג ' של צמחים יבשתי בין קרקע, ספיגת ו תחבורה של מים וחומרים מזינים1. נקודת מבט אבולוציונית, היווצרות של השורש צירים נחשבת תנאי מקדים היסוד מקורם של קרקע צמחים2. למרות התפקיד החשוב הזה, מבחינה היסטורית שורשים כבשו רק תפקיד שולי במחקר הביולוגי. בשנים האחרונות, עם זאת, שם גוברת ההתעניינות המדעית מערכות השורשים של הצמח כמו evidenced באיור1.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56251/56251fig1.jpg"> 
איור 1: הרלוונטיות של לימודי הבסיס למדעי הצמח. המספר של שורש הקשורות מחקרים כאחוז של מחקרים כל צמח שפורסמו בכתבי עת SCI בעשורים האחרונים. חיפוש כתוצאה מן הצופים באמצעות מילות מפתח "צמח" ו- "שורש של צמח". <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56251/56251fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
שתי סיבות עיקריות יכול להיות שיערו מושתתות על ההתקדמות במחקר שורש. ראשית, יבשתי צמחייה חשופים לחצים סביבתיים בתדירות גבוהה יותר בשל שינוי כללי3. בהקשר של ייצור יבול חקלאי מוערך ברחבי העולם סביב 30% של האזור החקלאי מוגבלים על ידי מים, זרחן4,5. הפחתת מתח של היבולים הם הסיבה העיקרית בגללה על פערי תשואה משמעותית זה באופן גלובלי נאמד בנמוך 50% של פרודוקטיביות פוטנציאליים התלויה אגרו-מערכות אקולוגיות6. מלבד זמינות משאבים נמוכה, זה גם קשור משאבים יעילות, כלומר לא מספיק קיבולת של צמח כדי לנצל משאבים זמינים7. התוצאה הפסדים של משאבי ניידים כגון חנקתי אשר יכול להשפיע לרעה על מערכות אקולוגיות אחרות. לדוגמה יעילות השימוש חנקן העולמי הנוכחי מוערכת ב 47%8. שימוש במשאב יותר יעילות באמצעות שיטות ניהול משופר, הזנים ולכן חשיבות גבוהה עבור שניהם מתמשכת לצמיחה של תוצרות חקלאיות גם באשר סביבתית. במפעל הזה בהקשר שורשים נחשבים יהיה מטרה מפתח מערכות חיתוך9,10וגידולים משופרת.
רקע חשוב השני ההתעניינות האחרונה שורשי צמחים הוא מראש טכנולוגיים בשיטות מדידה. שיטות שורש יש הגבלת זמן על ידי שני אתגרים מרכזיים: למדידה של שורשים של צמחים גדלים בקרקע הם היו צריכים להיות מבודדים על כימות, בעיקר על ידי שטיפת11, ובכך מפריע הסידור האדריכלי של השורש צירים. תצפית שורש מקומיים באמצעות חפירה שיטות, ובכך שימור המיקום הטבעי של שורשים בקרקע, שימשו תיאור בוטני12. עדיין הם זמן רב, ולכן אינן עונות על דרישות התפוקה של ניתוח השוואתי מערכת השורשים מבנית תפקודית. לעומת תפוקה גבוהה שיטות למדידה אדריכלות שורש בעיקר נעשו באמצעי מלאכותית והן עבור שתיל צמחים13 איפה אקסטרפולציה לסביבת הגידול הטבעי של צמחים מפוקפקים14.
בום האחרונה של השורש מחקר קשורה באופן הדוק מראש בהדמיה שיטות15. הדמיה גישות בלימודי הבסיס יכול להיות בערך מקובצים לשלושה סוגים. ראשית ישנם שיטות תלת-ממד ברזולוציה גבוהה כמו CT ו- MRI16. שיטות אלו הן המתאימות ביותר ללמוד תהליכי אינטראקציה של שורשי צמחים עם אדמה, כגון בצורת המושרה עצה תסחיף17. בדרך כלל הם מוחלים על דוגמאות קטנות יחסית שבו הם מאפשרים תצפיות מפורט. השוואה של CT ו- MRI עבור סירים בגודל שונה והדמיה שורש בסדר מסופק ב18. שנית, ישנם19,שיטות הדמיה תפוקה גבוהה20. שיטות אלה הן בעיקר על בסיס משותף 2D RGB הדמיה של שורשים גוברת על מדיה מלאכותיים (ג'ל, נייר נביטה) שבו חדות גבוהה מאפשרת ניתוח פשוט יחסית בין שורשים ורקע. הם מתאימים עבור תפוקה גבוהה השוואה בין נבט התכונות שורש של חיתוך שונות אחרים תחת מתוקננת מלאכותי גדל בתנאים13. בין שתי גישות אלה הן שיטות rhizobox: הם להשתמש הדמיה דו-מימדית של שורשים הגדלים בקרקע במשך פרק זמן ארוך יותר ויש להם תפוקה בינונית21,22. אתגר האחרונות שורש (2D) הדמיה הוא ללכוד גם אינדיקטורים של פונקציונליות הבסיס בנוסף תיאור של מבנה23.
המאמר הנוכחי אנו מציגים את הפרוטוקולים ניסיוני הדמיה rhizobox גדל מערכות שורשים (i) זול ופשוט מחוייט RGB הדמיה תרמית באמצעות הגדרת הדמיה מורכבות יותר (ii) ניר. דוגמה התוצאות המתקבלות מ setups שני אלה יוצגו ואילו נדון בהקשר של צמח phenotyping, מחקר פיזיולוגיים הצמח.

<table><tbody><tr><td>Rhizobox</td><td>Technisches B&uuml; ro f&uuml; r Bodenkultur</td><td>בונה</td><td></td></tr><tr><td>ניסיוני מנורות LED ATUM HORTI 600</td><td>Klutronic</td><td>AHI10600F</td><td></td></tr><tr><td>צינור אור פלורסנט HiLite T5 יום</td><td>Juwel אקווריום</td><td>86324</td><td></td></tr><tr><td>צינור אור UV Eurolite 45 ס"מ דק 15 W</td><td>Conrad</td><td>593384 - 62</td><td></td></tr><tr><td>Canon EOS 6D</td><td>Canon Austria GmbH</td><td>8035B024</td><td></td></tr><tr><td>Adobe Photoshop CS5 גרסה מורחבת 12.0 x 32</td><td>אדובי סיסטמס תוכנה אירלנד בע"מ</td><td></td><td></td></tr><tr><td>WinRhizo Pro נגד 2013</td><td>Regent Instruments Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Xeva-1.7-320 מצלמת SWIR</td><td>Xenics</td><td>XEN-000105</td><td></td></tr><tr><td>ספקטרוגרף ספקטור N25E</td><td>דגימה</td><td></td><td></td></tr><tr><td>סורק הדמיה היפרספקטרלי</td><td>Carinthian Tech Research AG</td><td>בונה ניסיוני</td><td>תכנון והרכבה של סורק הדמיה היפרספקטרלי ותוכנה</td></tr><tr><td>Matlab R2106a</td><td>Mathworks</td><td></td><td>כולל ארגזי כלים לעיבוד תמונה, עיבוד אותות וסטטיסטיקה ולמידת מכונה</td></tr><tr><td>AP4 Poromoeter</td><td>Delta-T-Devices</td><td></td><td></td></tr><tr><td>LI-3100C מד שטח</td><td>LI-COR</td><td></td><td></td></tr><tr><td>BASF יריעות פוליסטירן סטיראדור</td><td>Obi Baumarkt</td><td>9706318</td><td>ניתן להשתמש בסוגים שונים של יריעות פוליסטירן או חומר אחר המפריד בין אדמה לחה בצורה שונה</td></tr></tbody></table>

rgb והדמיה ספקטרלי שורש הצמח phenotyping ומחקר פיזיולוגיים: הגדרת הניסוי והדמיה פרוטוקולים

RGB and Spectral Root Imaging for Plant Phenotyping and Physiological Research: Experimental Setup and Imaging Protocols

הבנה טובה יותר של הדינמיקה שורש הצמח חיונית כדי לשפר את יעילות השימוש משאב של מערכות חקלאיות ולהגדיל את ההתנגדות של חיתוך הזנים נגד לחצים סביבתיים. טיפול נסיוני הוא הציג RGB והדמיה היפרספקטרליות לחישה מרחוק של מערכות השורשים. הגישה של משתמש rhizoboxes שבו גדלים צמחים באדמה טבעי לאורך זמן רב יותר כדי לבחון מערכות שורשים מפותחת. הגדרות ניסיוני הם דוגמה עבור הערכת rhizobox צמחים בלחץ מים, לומד את התפקיד של שורשים. התקנה הדמיה RGB מתוארת על כימות זולה ומהירה של התפתחות שורש לאורך זמן. הדמיה היפרספקטרליות משפר את בסיס פילוח מהרקע קרקע בהשוואה RGB צבע המבוסס על סף. כוח מסוים של הדמיה היפרספקטרליות היא רכישת chemometric מידע על מערכת השורש-אדמה על ההבנה פונקציונלי. הוכח עם מיפוי תוכן של מים ברזולוציה גבוהה. הדמיה ספקטרלי אולם הוא מורכב יותר ייבוא תמונות, עיבוד, ניתוח לעומת הגישה RGB. שילוב של שתי השיטות ניתן למטב הערכה מקיפה של מערכת השורשים. דוגמאות ליישום שורש שילוב תכונות מעל פני הקרקע ניתנת עבור ההקשר של צמח phenotyping, צמח מחקר פיזיולוגי. ניתן להשיג שיפור נוסף הדמיה השורש על-ידי מיטוב איכות התמונה RGB עם תאורה טובה יותר באמצעות מקורות אור שונים, על ידי הרחבה של שיטות ניתוח התמונה להסיק על בסיס מאפייני אזור נתונים ספקטרלי.

פרוטוקול ניסיוני מוצג להערכת מערכות שורשי צמחים שגדלו באדמה עם RGB והדמיה היפר-ספקטרלית. שילוב של סדרות זמן של תמונות RGB עם מידע כימומטרי מסריקות היפרספקטרליות מייעל תובנות לגבי דינמיקת שורשי הצמח.

RGB והדמיה ספקטרלי שורש הצמח Phenotyping ומחקר פיזיולוגיים: הגדרת הניסוי והדמיה פרוטוקולים

Better understanding of plant root dynamics is essential to improve resource use efficiency of agricultural systems and increase the resistance of crop ...

המטרה הכוללת של הליך זה היא להשיג מידע מקיף על שורשי צמחים הגדלים בריזובוקסים (rhizoboxes) מלאים באדמה, באמצעות שילוב של שיטות דימות שונות. שיטה זו יכולה לסייע במתן תשובות לשאלות מפתח בתחומי הפנוטיפיקה וההכלאה של צמחים, כגון התרומה של ארכיטקטורות שורשים שונות לעמידות טובה יותר למעמדים אביוטיים. היתרון העיקרי של גישה זו הוא השילוב בין דימויי RGB לאפיון ארכיטקטורת השורשים לבין דימוי היפר-ספקטרלי לבחינת התפקוד של השורשים.הפוטנציאל של שימוש בדימות היפר-ספקטרלי לשורשים נשען על מגוון רחב של פרמטרים של הריזוספירה, מכיוון שהמידע הספקטרלי יכול לחשוף שינויים פיזיקו-כימיים בקנה מידה קטן שנגרמו על ידי שורשי הצמח. הדגמה ויזואלית של שיטה זו היא קריטית, שכן יש לבצע את שלבי מילוי הריזובוקס בזהירות. אחרת, צמיחת השורשים ונראותם ייפגעו לרעה.התחילו את הפרוצדורה בהכנת הריזובוקסים למילוי התשתית, כפי שפורט בפרוטוקול הטקסט. הרטיבו מראש את האדמה היבשה עד לתכולת מים גרבימטרית של 0.108 גרם לגרם, על ידי הוספת 400 גרם מים ל-3,705 גרם אדמה יבשה. ערבבו בעדינות את האדמה והמים כדי להשיג פיזור מים הומוגני.יש לפרק ידנית צברים גדולים כדי לשמור על גודל חלקיקים שקטן או שווה לשני מילימטרים. קריטי להשיג שכבת קרקע הומוגנית לצד חלון התצפית של הגז תוך הימנעות מכיסי אוויר. קצות השורשים של צמחים מתייבשים במהירות כאשר הם גדלים לתוך כיסי אוויר.כמו כן, איכות התמונה הספקטרלית למיפוי מים נפגעת לרעה. מלאו את הקרקע שהורטבה מראש לתוך הריזובוקסים הפתוחים ודחסו אותה בעדינות באמצעות לוח פוליסטירן המכסה את הנפח הפנימי של התיבה, ובכך תשיגו צפיפות נפחית הומוגנית של 1.3 grams per cubic centimeter. הוסיפו את כמות המים הנותרת כדי להגיע לתכולת המים המטרה של 0.31 cubic centimeters per cubic centimeter על ידי התזה על פני השטח באמצעות בקבוק התזה.הבטיחו גודל טיפה קטן כדי למנוע פגיעה במבנה הפני והבטיחו הרטבה הומוגנית. השאירו את הקופסה על מאזניים במהלך הריסוס כדי לנטר את כמות המים שהתווספה בפועל למצע. המתינו 10 דקות לאפשר למים להתפזר מחדש, ולאחר מכן הצמידו את הזכוכית לפני השטח וקבעו אותה באמצעות המסילות המתכתיות שבצדים.המשקל הסופי הממוצע של תיבות השורשים (rhizoboxes) עם מצע רטוב היה 17,818 פלוס או מינוס 68 גרם. ציידו את חדר האקלים בשמונה נורות LED המספקות תאורה הומוגנית של 450 micromoles per square meter per second עם שיאי ספקטרום ב-440 ו-660 nanometers לצמיחה אופטימלית של הצמח. לאחר קביעת הפרמטרים הסביבתיים בהתאם לצורכי הצמח והניסוי, כסו את חלון הזכוכית בלוח עץ כדי לשמור על אזור השורשים בחשיכה ולמנוע צמיחת אצות עקב חדירת אור דרך משטח הזכוכית.לאחר מכן, הניחו את תיבות השורשים (rhizoboxes) בשיפוע של 45 מעלות באמצעות מסגרת מתכת מתאימה. פעולה זו ממקסמת את גדילת השורשים לכיוון משטח הזכוכית בשל גרביטרופיזם. לצורך דימוי שורשים ב-RGB, האירו את תיבת השורשים באמצעות ארבעה נורות פלורסנט של 24-watt המותקנות במרחק של 80 סנטימטרים מתיבת השורשים.כמו כן, התקינו ארבעה נורות UV של 15-watt במרחק של 20 סנטימטרים מהריזובוקס (rhizobox) כתאורה חלופית, תוך שימוש באוטופלואורסצנציה של השורשים במקרה של ניגודיות נמוכה בין השורש לרקע בהיר של המצע. הדליקו את נורות ה-UV ולאחר מכן הצמידו את הריזובוקס המיועד להדמיה למחזיק של תיבת ההדמיה. לאחר מכן, צלמו שתי תמונות המכסות את החצי העליון והתחתון של הריזובוקס, עם חפיפה של כ-שלושה סנטימטרים.רכשו ועבדו את תמונות ה-RBG כפי שפורט בפרוטוקול הטקסט. לבסוף, הריצו את הניתוח של תמונות השורשים ב-RBG שנקלטו ובדקו לאחר מכן האם קיימים אזורים שאינם תואמים. במקרה כזה, הגדירו אזור החרגה והפעילו מחדש את הניתוח.עבור שורשים שלא סווגו, יש להוסיף מחלקות צבע נוספות ולהפעיל מחדש את הניתוח. עבור אלמנטים שסווגו בטעות כשורשים, הפעילו או הגבירו את אפשרויות הסינון של פסולת (debris) וקצוות מחוספסים. בצעו רכישת תמונות על ידי קביעה ראשונית של זמני האינטגרציה של המצלמה עבור סריקת הריזובוקס (rhizobox) והסטנדרט הלבן בתוכנת המצלמה.כדי לעשות זאת, פתחו את ממשק המשתמש (GUI) של מערכת ההדמיה והזיזו את המצלמה למיקום בריזובוקס (rhizobox) שבו קיימים שורשים. כווננו את זמן האינטגרציה של המצלמה תוך התמקדות באובייקט בהיר, באופן שבו כ-85% מהטווח הדינמי המלא של המצלמה מנוצלים בהיסטוגרמה המוצגת בתוכנה. קביעה נכונה של זמן האינטגרציה עבור מצעים ורקמות שורש שונות היא קריטית לניצול מלא של הטווח הדינמי של מצלמת האינפרא-אדום, על ידי מניעת אובדן מידע כתוצאה מחריגה מהטווח שלה.חזור על התהליך עבור הסטנדרט הלבן על ידי הזזת מערכת מיקום המצלמה אל הסטנדרט הלבן לפני סגירת תוכנת המצלמה. לאחר מכן, פתח את ממשק המשתמש (GUI) של Matlab לדימות והזן את כל ההגדרות מסריקת ה-rhizobox הנוכחית. רכוש את הסטנדרטים של החשיכה והלבן לפני כל הרצת דימות פעם ביום.הסטנדרט האפל מייצג את רעש המצלמה, בעוד שהסטנדרט הלבן מספק את מקסימום המהלקיות. נתונים אלו נדרשים לצורך נורמליזציה של התמונות במהלך העיבוד המקדים. הגדירו האם נסרק הריזובוקס כולו או רק חלק ממנו.במקרה הנוכחי, מבוצע הדמיה של תיבות השורשים (rhizoboxes) השלמות. לאחר מכן, התחל את הסריקה. לצורך מדידת תכולת מים מבוססת ספקטרום, נדרשת תיבת שורשים לכיול.חלקו את הריזובוקס (rhizobox) לתאים של חמישה סנטימטרים באמצעות לוחות פוליסטירן כדי למלא אותם באדמה עם תכני לחות שונים. סרקו את ריזובוקס הכיול עם אותן הגדרות ששימשו עבור הריזובוקסים השתולים. כדוגמה, לשילוב של תכונות שורשים ותכונות עיליות, השתמשו בפורומטר לעלים למדידת מוליכות פיונית.השגו את המכשיר לתנאי הסביבה למשך שעה אחת לפחות בתא האקלים. בצעו מדידות לפחות משלושה עלים לכל צמח. כאן מוצגת תמונה מייצגת של צמיחת שורשים של זן סלק סוכר, Ferrara, המבוססת על דימות RGB.35 ימים לאחר הזריעה, שורשי הצמח התארכו עד להגעה לתחתית הריזובוקס (rhizobox). לא ניתן היה לבצע סגמנטציה של חלק מצירים השורשיים בחלקו העליון של הריזובוקס מתמונות RGB. נשירה של השורשים הבסיסליים המבוגרים יותר משנה את צבעם לחום.לפיכך, הפרדה בין שורשים אלה לבין רקע הקרקע על בסיס סף צבע נכשלת. באמצעות דימות היפרספקטרלי, הסגמנטציה מתבססת על מאפיינים ספקטרליים שונים של השורשים (הקדמה) ושל רקע הקרקע. דבר זה משפר את תוצאת הסגמנטציה.ההבדלים באורך השורש שנמדד לעומת תמונת ייחוס שעקב אחריה ידנית הם רק 1.5%. יתרה מכך, דימוי ספקטרלי מאפשר מיפוי מדויק של תכולת המים סביב השורש כדי להסיק מסקנות על ספיגת מים. כאן שלד השורש מוצג בשחור. האזורים הבהירים יותר מראים אזורים של דלדול מים גבוה יותר בקרבת צירי השורש.בעוד ששטחים בכחול כהה יותר מייצגים אזורים עם תכולת מים גבוהה יותר בקרקע מחוץ להישג השורשים. לאחר צפייה בסרטון זה, תהיה לכם הבנה טובה לגבי האופן שבו יש למלא נכון את הריזובוקסים (rhizoboxes) כדי להבטיח צמיחת שורשים ונראות מספקת. זהו הבסיס לדגימה גרפית מאוחרת יותר ולתוצאות ייצוגיות של פנוטיפיקה של שורשים.בעקבות הליך זה, ניתן לבצע שיטות נוספות לסיווג ספקטרלי, כגון קיבץ K-means או מכונות וקטור תומך (support vector machines), כדי להשיג מידע מעמיק על תכונות השורש והריזוספירה, כגון נשירת שורשים ופירוק. ברגע שטכניקה זו מבוססת, היא מאפשרת לבצע פנוטיפ מקיף של מערכות שורשים ותגובה לעקה אביוטית. ניתן לאפיין קבוצה של 10 זנים במשך ניסוי כולל של פחות משלושה חודשים.

rgb-spectral-root-imaging-for-plant-phenotyping-physiological

Research

JoVE Journal

Environment

סביבה

פרוטוקול זה מתאר תהליך לאיסוף מהיר של תמונות של שתילי ארבידופסיס להגיב לגירוי הכבידה באמצעות סורקים שטוחים, זמינים מסחרי. השיטה מאפשרת לכידה של תמונות ברזולוציה גבוהה נוחות לניתוח אלגוריתמים במורד הזרם זול, בנפח גבוה.

שימוש במשטח סורקים לאיסוף תמונות-פקע זמן ברזולוציה גבוהה של ארבידופסיס רוט Gravitropic התגובה

כאן, אנו מציגים פרוטוקול ללמוד התנהגות גידול הצמח, במיוחד פנוטיפים באופן לשחזור. אנו מראים כיצד לספק משתנה ועל הזמן אותו יציבים לתנאי תאורה. ניתוחים נכונה תלויה מספיקים מדגם והערכות סטטיסטיות בתוקף.

ניתוח התנהגות גדילה תודרנית לבנה באיכויות שונות אור

להמחיש ומדידת הבסיס לצמיחה בחיי עיר הוא מאוד מאתגר. אנו מציגים שיטה rhizobox להתאמה אישית כדי לעקוב אחר התפתחות שורש והתפשטות לאורך זמן בתגובה העשרה התזונתי. שיטה זו משמשת כדי לנתח את ההבדלים genotypic תירס שורש פלסטיות בתגובה מקור חנקן אורגני.

פרוטוקול Rhizobox ממוטבת כדי להמחיש צמיחה השורש והיענות לצרכי מזינים לשפות אחרות

אנו מתארים גישה טכנית חדשה כדי ללמוד תגובות פוטוסינטתיים בצמחים גבוהים יותר מעורבים מדידות בו של כלורופיל מחזירי אור והשתקפות העלה באמצעות פאם ורדיומטר ספקטרלי לאיתור אותות מן אותו אזור עלה באראידאופזיס.

הערכה של התנהגויות פוטוסינטתיים על ידי מדידות סימולטני של השתקפות עלה וניתוחים כלורופיל פלואורסצנטית

אנו משתמשים בכלי מעבדה פשוטים כדי לבחון את ארכיטקטורת מערכת השורשים (RSA) של Arabidopsis ו- Medicago. העציצים גדלים באופן הידרופוני על גבי רשת ומפוזרים באמצעות מברשת אמנותית כדי לחשוף את ה-RSA. התמונות מצולמות באמצעות סריקה או מצלמה ברזולוציה גבוהה, ולאחר מכן מנותחות באמצעות ImageJ כדי למפות תכונות.

פרוטוקול פשוט למיפוי תכונות ארכיטקטורת מערכת שורש הצמח

תכננו פרוטוקול פנוטיפ מבוסס תמונה כדי לקבוע את התגובות המורפולוגיות והפיזיולוגיות לטיפולי חום, בצורת וכריתת מים בודדים ומשולבים. גישה זו אפשרה זיהוי של תגובות מוקדמות, מאוחרות והתאוששות ברמת צמח שלם, במיוחד חלקים מעל פני הקרקע, והדגישה את הצורך בשימוש בחיישני הדמיה מרובים.

פנוטיפ מבוסס תמונה בתפוקה גבוהה לקביעת תגובות מורפולוגיות ופיזיולוגיות ללחצים בודדים ומשולבים בתפוח אדמה

מוצגת שיטה להדמיה בעלות נמוכה של צמחים למדידת פנוטיפים, יחד עם שיטות עבודה מומלצות ללכידת תמונות וצינור ניתוח תמונה לכימות תכונות הצמח. שיטות אלה יושמו למדידת פנוטיפים של תירס (Zea mays) תחת חום, בצורת ותנאי עקה אביוטיים משולבים.

הדמיה וניתוח לכימות תירס (Zea mays) פנוטיפים של מתח אביוטי

ביומסה במפעל מציע משאב מתחדש למספר רב של מוצרים, כוללים דלק, מזון, מזון ומגוון רחב של חומרים. במאמר זה אנו לחקור את המאפיינים של עץ טבק (Nicotiana glauca) ומקורות מתאימים כמו צפצפה לצינור biorefinery.

תמליל והמטבוליט Profiling להערכת של טבק ועץ צפצפה כחומר גלם לתעשייה המבוססת על ביו

הבנת התפקיד של הטרוגניות סביבתית בקיום מין יש בדרך כלל מתמקד בסוגים של הטרוגניות שהם חיצוניים להרכב המינים של הקהילה. אנו מספקים שיטות מפורטות רומן ליצירת טיפולי ההטרוגניות אדמה באמצעות קרקעות כפופות לאוויר צמח אדמת משוב, או הטרוגניות מהותית בהרכב הקהילה.

פרוטוקול ניסוי להטרוגניות קרקע מושרה צמח מניפולציה

מוצגת גישה חזקה וגמישה לאישור עמידות לקוטלי עשבים באוכלוסיות עשבים. פרוטוקול זה מאפשר להסיק את רמות העמידות לקוטלי עשבים וליישם אותן על מגוון רחב של מיני עשבים וקוטלי עשבים עם התאמות קלות.

פרוטוקולים לקוטל עשבים חזקים התנגדות בדיקה במיני עשבים שונים

למדו שיטת הדמיה משולבת RGB והיפרספקטרלית לפנוטיפינג שורשי צמחים בקרקע. גישה זו מאפשרת ניתוח אדריכלות שורשים ותפקודיותם לשיפור עמידות מיני צמחים ללחות אביוטית.

RGB והדמיה ספקטרלי שורש הצמח Phenotyping ומחקר פיזיולוגיים: הגדרת הניסוי והדמיה פרוטוקולים

גלה סרטונים נוספים