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Per sviluppare questo metodo, le piante di mais B73 sono state valutate per fenotipi quantitativi a temperature controllate, temperature di calore, condizioni di acqua potabile e siccità, nonché per le loro combinazioni, per un totale di quattro trattamenti. B73 è una nota varietà di mais consanguineo con una ricchezza di dati genetici21.
L'analisi delle immagini in PlantCV ha corretto con successo il colore delle immagini, etichettato i risultati quantitativi con i metadati della pianta e segmentato (in altre parole, separato) la pianta dallo sfondo, come dimostrato nella Figura 3. Un'analisi non riuscita fornirebbe immagini di output che non mostrano il contorno blu o la forma rosa intorno all'esterno dell'impianto, ma piuttosto includono rumore aggiuntivo o parti mancanti dell'impianto (Figura 3, esempio di bassa qualità). Era necessaria una soglia a doppio canale per includere la maggior parte possibile della pianta nella maschera (vedi strategie alternative a canale singolo in "photo-studio-SV-notebook.ipynb"). Tuttavia, alcune piante, in particolare quelle con steli di colore violaceo, non avevano una segmentazione perfetta, ma erano sufficienti per l'analisi a valle (Figura 3).
L'analisi di PlantCV ha fornito 16 caratteri quantitativi a valore singolo, riassunti nella Figura 4. Un singolo valore fornisce un valore per pianta, ad esempio l'area fogliare, l'altezza, la larghezza e la tonalità circolare media. L'area fogliare è stata considerata utilizzando la funzione "analyze.shape" (Figura 4) e ha considerato l'intera pianta. L'altezza e la larghezza, tuttavia, sono state considerate utilizzando la "funzione analyze.bound_horizontal", con un limite tracciato sulla linea del suolo della pianta. Questo perché le piante che si abbassano sul lato del vaso avranno un'altezza maggiore considerando la pianta come un oggetto intero, e invece dovrebbero misurare solo dalla base della pianta dove incontra il terreno. Oltre ai tratti a valore singolo, PlantCV produce tratti multivalore, che sono istogrammi, in particolare dei valori di colore, che rappresentano ogni pixel della pianta. La media circolare della tonalità è un singolo valore che è il valore medio della tonalità per l'intera pianta.
Per determinare quali tratti sono i più interessanti, è stata calcolata la varianza spiegata dal trattamento per ciascun tratto, nonché la correlazione tra i diversi tratti utilizzando la funzione "frem" nel pacchetto pcvr R Studio20 (Figura 5A). L'area fogliare, l'altezza, la larghezza e la media circolare della tonalità sono state selezionate per l'analisi a valle perché spiegavano più del 50% della varianza dovuta al trattamento e sono misure rilevanti della crescita delle piante (area, altezza e larghezza) e della salute (tonalità). Immagini rappresentative della pianta con l'area fogliare più grande e più piccola dimostrano la variazione dei fenotipi raccolti in questo esperimento (Figura 5B, C, rispettivamente). La pianta con l'area fogliare più grande aveva anche la tonalità media più alta ed era una pianta B73, ben irrigata, stressata dal calore (Figura 5B). L'area fogliare più piccola aveva la tonalità media più piccola (Figura 5C) ed era una pianta B73, stressata dalla siccità e dal calore.
Il trattamento delle acque ha avuto un effetto significativo nella determinazione dell'area fogliare (F(1,13) = 226,5, p = 1,32 x 10-9), dell'altezza (F(1,13) = 21,1, p = 0,0005), della larghezza (F(1,13) = 75,5, p = 8,92 x 10-7) e della tonalità media circolare (F(1,13) = 27,8, p = 0,0002), determinata utilizzando un modello di regressione lineare per l'effetto del trattamento e un'ANOVA a due vie in R Studio (risultati completi nella Tabella 1). Il trattamento della temperatura ha avuto un effetto significativo sull'altezza (F(1,13) = 5,94, p = 0,03), ma non sull'area fogliare, sulla larghezza o sulla tonalità circolare media (p > 0,05, Tabella 1). L'interazione tra temperatura e stato dell'acqua non è stata un fattore significativo in nessuno dei caratteri misurati (p > 0,05, Tabella 1).
Successivamente, i singoli trattamenti sono stati confrontati con il controllo e tra loro utilizzando la regressione lineare e il test post-hoc (medie marginali stimate) con una correzione di Sidak per confronti multipli (Figura 6). L'area fogliare, l'altezza della pianta, la larghezza della pianta e la media circolare della tonalità sono risultate significativamente ridotte nelle piante stressate dalla siccità rispetto a quelle ben irrigate in entrambe le condizioni di temperatura (p < 0,05, Figura 6). Lo stress da calore quando ben irrigato ha solo ridotto l'altezza della pianta (p < 0,05, Figura 6), ma non ha ridotto significativamente l'area fogliare, la larghezza della pianta o la tonalità circolare. Questa differenza di tonalità può essere ulteriormente studiata valutando la tonalità del tratto di colore multivalore, tracciata come un istogramma nella Figura 7, piuttosto che come una semplice media. La riduzione della tonalità media dovuta alla siccità è dovuta a un passaggio dai pixel verdi a quelli gialli, noto come clorosi (Figura 7). Sebbene il calore non abbia mostrato una differenza significativa nella tonalità media, ha mostrato una riduzione e un aumento dovuti sia all'ingiallimento (clorosi) che all'oscuramento del colore verde (Figura 7).
Dopo l'imaging, le piante sono state tagliate alla giunzione radice-germoglio ed è stato registrato il peso del tessuto fuori terra. Le radici sono state lavate delicatamente e asciugate con un asciugamano, quindi pesate, per calcolare la biomassa vegetale totale (nota anche come peso) per il confronto con il metodo di fenotipizzazione basato su immagini descritto. L'area fogliare misurata tramite analisi di immagine è fortemente correlata alla biomassa vegetale (R2 = 0,84, Figura 8).

Figura 1: Immagine dell'allestimento dello studio fotografico con componenti etichettati per la raccolta delle immagini delle piante. (A) Tessuto per la fotografia, (B) cartella colori, (C) linea di nastro adesivo per posizionare i vasi in modo uniforme, (D) fotocamera digitale, (E) computer a scheda singola, (F) monitor che visualizza il processo di acquisizione delle immagini. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Panoramica del flusso di lavoro di imaging. Viene fornita un'immagine rappresentativa di "alta qualità" e "bassa qualità". Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Panoramica del flusso di lavoro dell'analisi delle immagini in PlantCV. Vengono presentate immagini rappresentative di segmentazione di qualità "alta", "accettabile" e "bassa"; I tratti PlantCV sono rappresentati utilizzando un contorno rosa della forma dell'intera pianta e un contorno blu dell'area della pianta. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Sintesi e rappresentazione visiva dei tratti di forma acquisiti dall'analisi. Funzione di forma in PlantCV. Le caselle viola rappresentano i tratti che non utilizzano un altro tratto nel loro calcolo. Le caselle arancioni rappresentano i tratti che utilizzano altri tratti nel loro calcolo; Le frecce indicano quali tratti vengono utilizzati in questi calcoli. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: La fenotipizzazione basata su immagini cattura la varianza fenotipica e i tratti correlati. (A) Varianza dei caratteri spiegata dal trattamento (a destra) e correlazione dei caratteri tra loro (a sinistra). Ogni tratto è etichettato, seguito dalla sua unità di misura; "NA" significa che si tratta di una misura senza unità. (B) Immagine della pianta che aveva la più alta area fogliare e la più alta tonalità, media circolare (gradi). (C) Immagine della pianta che aveva l'area fogliare più piccola e la tonalità circolare più bassa media (gradi). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Confronto boxplot degli effetti del trattamento sui fenotipi delle piante. L'area fogliare (A), l'altezza (B), la larghezza (C) e la tonalità circolare media (D) vengono confrontate per l'effetto della siccità, del calore e degli stress combinati. n = 4. Le lettere rappresentano differenze statisticamente significative tra i trattamenti (p < 0,05); i trattamenti sono stati confrontati utilizzando la regressione lineare e il test post-hoc (medie marginali stimate) con una correzione di Sidak per confronti multipli. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7: Istogrammi di colore (tonalità) sommati di tutti i pixel di ciascuna combinazione di trattamento, normalizzati dal numero totale di pixel nella combinazione di trattamento. Gli istogrammi sono colorati in base al valore del colore per il grado di tonalità. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 8: Correlazione dell'area fogliare misurata dalle immagini alla biomassa dell'intera pianta. Ogni punto nero rappresenta una pianta. La linea rosa rappresenta la correlazione lineare tra l'area fogliare (X) e la biomassa (Y). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Tratto | Fattore | gradi di libertà | Valore F | Valore p |
| area fogliare (cm^2) | Temperatura | 1 | 0.5372 | 0.4766 |
| area fogliare (cm^2) | Acqua | 1 | 226.5318 | 1.32E-09 |
| area fogliare (cm^2) | Temperatura:Acqua | 1 | 2.1526 | 0.1661 |
| area fogliare (cm^2) | Residui | 13 | | |
| Altezza (cm) | Temperatura | 1 | 5.9426 | 0.0298935 |
| Altezza (cm) | Acqua | 1 | 21.107 | 0.0005029 |
| Altezza (cm) | Temperatura:Acqua | 1 | 2.1752 | 0.1640545 |
| Altezza (cm) | Residui | 13 | | |
| larghezza (cm) | Temperatura | 1 | 2.2495 | 0.1575 |
| larghezza (cm) | Acqua | 1 | 75.5474 | 8.92E-07 |
| larghezza (cm) | Temperatura:Acqua | 1 | 0.0839 | 0.7766 |
| larghezza (cm) | Residui | 13 | | |
| Tonalità media circolare (gradi) | Temperatura | 1 | 0.9154 | 0.3561432 |
| Tonalità media circolare (gradi) | Acqua | 1 | 27.7988 | 0.0001509 |
| Tonalità media circolare (gradi) | Temperatura:Acqua | 1 | 3.4792 | 0.0848724 |
| Tonalità media circolare (gradi) | Residui | 13 | | |
Tabella 1: Risultati del modello di regressione lineare e delle analisi ANOVA a due vie che esaminano gli effetti del trattamento dell'acqua, del trattamento della temperatura e della loro interazione sui tratti delle piante.