Name: RGB e Imaging spettrale radice per pianta Phenotyping e ricerca fisiologica: messa a punto sperimentale e protocolli di Imaging (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-08T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 37 s
Description: Scopri il fenotipaggio delle radici con imaging RGB e iperspettrale per analizzare l'architettura e la funzionalità delle piante in rizobox. Questo metodo combina tecniche avanzate per studiare la resistenza allo stress abiotico.

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

playerTrialDesktop

Gli autori riconoscono finanziamenti dal fondo austriaco scienza FWF tramite il progetto numero P 25190-B16 (le radici della resistenza alla siccità). Istituzione dell'infrastruttura imaging iperspettrale è stato sostenuto finanziariamente dal federale governo della Bassa Austria (Land Niederösterreich) tramite il progetto K3-F-282/001-2012. Finanziamenti supplementari per l'esperimento di barbabietola da zucchero è stato ricevuto dalla ricerca AGRANA &#38; Innovation Center GmbH (ARIC). Gli autori ringraziano Craig Jackson per il supporto tecnico durante l'esperimento e inglese correzione del manoscritto. Riconosciamo anche Markus Freudhofmaier che hanno contribuito alla istituzione l'installazione di immagini RGB e Josef Schodl per la costruzione del supporto del 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>

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

I protocolli prevedono due approcci complementari terreno coltivato imaging system di root. Un passaggio fondamentale per ottenere risultati sperimentali affidabili si sta riempiendo di rizobox che deve garantire un livello di substrato uniforme ed omogeneo nel vetro anteriore per offrire suolo-radice stretto contatto nella finestra di osservazione ed evitare vuoti d'aria. Questo è il motivo principale per utilizzare terra comparativamente fine setacciata di &#60; 2 mm: più grandi aggregati provocare la morfologia superficiale superiore alla finestra di osservazione con i vuoti tra gli aggregati. Oltre ad un elevato rischio di disidratazione di punta di radice, questo richiede anche più complesse tecniche di elaborazione di immagini per acqua mappatura31.
Modifiche del protocollo, pertanto concentrano sul migliore e rapido riempimento di rizobox. Attualmente il tempo di riempimento è circa 30 minuti per scatola. Inoltre l'uso di rizobox con due finestre di vetro per l'imaging da entrambi i lati e modifiche per ottimizzare l'omogeneità di illuminazione per ottenere immagini migliori RGB vengono testati. Ulteriore estensione hardware anche considerare l'integrazione di planare optodi32 , nonché capacità di imaging33 nel sistema rhizobox. Si tratta tuttavia oltre le attività di aggiornamento corrente.
Modifiche del software di concentrano sulla registrazione automatica dell'immagine per fondere la parte superiore e inferiore RBG immagini34. Hyperspectral imaging avanzate funzione senza supervisione di estrazione si avvicina per28 , nonché metodi di rilevazione più sensibile obiettivo sorvegliato come SVMs35 sono testati. Quindi i dati iperspettrali potenzialmente consentono per la valutazione di più terreno, rizosfera e radice di proprietà36. Inoltre si intende sviluppare un (semi) automatizzato software per rhizobox radice immagini basato su una versione modificata di radice sistema analizzatore37 quantificare morfologiche (lunghezza, diametro, superficie) e tratti architettonici (frequenza ramificazione, ramificazione angoli).
La principale limitazione del protocollo rispetto ad approcci di imaging 3D è la restrizione per la superficie visibile radice e la proprietà di rizosfera. Tuttavia è stato dimostrato che i tratti visibili radice sono un proxy affidabile per l' intero sistema della radice21. La tecnica di rhizobox è facilmente combinato con campionamento distruttivo tradizionale (lavatrice) alla fine di una crescita dinamica imaging al fine di convalidare la relazione di visibile vs totale radice sistema tratti. Come questa relazione potrebbe variare tra specie21, campionamento distruttivo è consigliabile per garantire affidabile inferenza dai tratti visibili per qualsiasi nuova serie fenotipizzazione con una specie di colture diverse.
Il vantaggio fondamentale del protocollo presentato qui è la combinazione di condizioni di crescita realistiche (suolo), potenziale relativamente alto throughput per la temporaneamente risolto dell'imaging RGB e inferenza sulla funzionalità di radice (ad esempio l'assorbimento di acqua) tramite i dati di radice e rizosfera chemiometrica da imaging iperspettrale. Quindi i metodi supera le restrizioni di inferenza in semenzale elevato throughput e fuori suolo radice imaging metodi14, mentre permette parzialmente intuizioni profonde che phenotyping processi funzionali con complessità meno sperimentale e un throughput più elevato rispetto ai metodi avanzati 3D15.
Nei prossimi esperimenti utilizzerà il protocollo per studiare l'effetto di Micorriza sullo sviluppo del sistema della radice e funzionalità dei legumi anche per quanto riguarda le caratteristiche di radice fenotipizzazione di coltura di copertura specie in relazione alla struttura del suolo, di azoto e di carbonio in bicicletta.

Le radici forniscono diverse funzioni essenziali per piante come deposito di assimila, ancoraggio delle piante terrestri nel suolo e l'assorbimento e il trasporto di acqua e sostanze nutritive1. Da un punto di vista evolutivo, la formazione degli assi di radice è considerata un presupposto fondamentale per l'origine della terra piante2. Nonostante questo ruolo importante, storicamente le radici hanno occupato solo una posizione marginale nella ricerca biologica. In tempi più recenti, tuttavia, vi è crescente interesse scientifico nei sistemi di radice di pianta come evidenziato nella Figura 1.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56251/56251fig1.jpg"> 
Figura 1: Rilevanza degli studi radice in scienze botaniche. Numero di radice studi collegati come percentuale di tutti gli studi di pianta pubblicati in riviste SCI negli ultimi decenni. Risultato da Scopus utilizzando parole chiave "impianto" e "pianta e radice" della ricerca. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56251/56251fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Due motivi principali possono essere ipotizzati per sottendono i recenti progressi nella ricerca di radice. Prima vegetazione terrestre è esposta a stress ambientali più frequenti a seguito di cambiamenti globali3. Nel contesto della produzione agricola si stima che globalmente circa il 30% della superficie agricola sono limitati dall'acqua e fosforo4,5. Riduzione dello stress di resa delle colture sono delle ragioni principali per le lacune di rendimento significativo che ammontano globalmente a più basso 50% di produttività potenziale per rainfed agro-ecosistemi6. Oltre alla disponibilità di risorse in esaurimento, questo è anche legato all'efficienza di uso di risorsa scarsa, cioè insufficiente capacità di una pianta di sfruttare le risorse disponibili7. Questo si traduce in perdite di risorse mobili quali nitrati che possono influenzare negativamente altri ecosistemi. L'efficienza di uso corrente di azoto globale, ad esempio, è stimato a 47%8. Uso migliore delle risorse efficienza tramite i metodi di miglioramento della gestione e cultivar è pertanto di grande importanza per entrambi sostenuta crescita dei prodotti agricoli, anche per quanto riguarda la sostenibilità ambientale. In questa pianta contesto radici sono considerate di essere un obiettivo chiave per colture migliorate e ritaglio sistemi9,10.
Una seconda importante background per il recente interesse nelle radici della pianta è progresso tecnologico nei metodi di misurazione. Metodi di radice lunga sono stati limitati da due sfide chiave: per la misurazione delle radici da piante che crescono nel terreno dovevano essere isolato per quantificazione, principalmente mediante lavaggio11, perturbi la disposizione architettonica degli assi di radice. Osservazione di radice in situ mediante scavo metodi, quindi conservare la naturale posizione delle radici nel terreno, sono stati utilizzati per Descrizione botanica12. Ancora sono molto che richiede tempo e quindi non soddisfano i requisiti di velocità effettiva del sistema della radice strutturale-funzionale comparativa analisi. D'altra parte metodi ad alta resa per la radice architettura misura principalmente sono state fatte su diete artificiali e per semenzale piante13 dove l'estrapolazione all'ambiente naturale crescita delle piante è discutibile14.
Il recente boom di ricerca principale è collegato strettamente all'anticipo del metodi15di imaging. Approcci in studi di radice di imaging possono essere approssimativamente raggruppati in tre tipi. Prima ci sono metodi 3D ad alta risoluzione come il CT e MRI16. Questi metodi sono più adatti per lo studio dei processi di interazione delle radici delle piante con il suolo, come siccità indotta xilema embolia17. In genere vengono applicati a comparativamente piccoli campioni dove permettono osservazioni dettagliate. Viene fornito un confronto del CT e di MRI per vasi di dimensioni diverse e l'imaging di radice bene in18. In secondo luogo, ci sono di alto-rendimento imaging metodi19,20. Questi metodi sono per lo più basata su comuni RGB imaging 2D di radici che crescono su diete artificiali (gel, carta di germinazione) dove il contrasto elevato consente una dissezione comparativamente semplice tra radici e sfondo. Essi sono adatti per il confronto di throughput elevato tra tratti di radice semenzale di genotipi differenti colture sotto crescente artificiale standardizzata circostanze13. Tra questi due approcci sono metodi rhizobox: usano imaging 2D di radici che crescono nel terreno nel più lungo periodo di tempo ed hanno velocità effettiva media21,22. Una sfida risale all'imaging di radice (2D) è quello di catturare anche indicatori di funzionalità principale oltre a descrizione della struttura23.
Nel presente documento presentiamo i protocolli sperimentali per l'imaging rhizobox cresciuto sistemi della radice mediante (i) una semplice ed economico su misura RGB imaging installazione e (ii) una configurazione più complessa di imaging NIR. Risultati di esempio ottenuti da queste due configurazioni sono mostrati e discussi nel contesto della pianta phenotyping e ricerca fisiologica della pianta.

<table><tbody><tr><td>Rhizobox</td><td>Technisches B&uuml; ro f&uuml; r Bodenkultur</td><td>Costruttore</td><td></td>sperimentale</tr><tr><td>Lampade LED ATUM HORTI 600</td><td>Klutronic</td><td>AHI10600F</td><td></td></tr><tr><td>Tubo luminoso fluorescente HiLite T5 Day</td><td>Juwel Aquarium</td><td>86324</td><td></td></tr><tr><td>Tubo luminoso UV Eurolite 45cm slim 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 Extended Version 12.0 x 32</td><td>Adobe Systems Software Ireland Ltd.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>WinRhizo Pro v. 2013</td><td>Regent Instruments Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Xeva-1.7-320 Telecamera SWIR</td><td>Xenics</td><td>XEN-000105</td><td></td></tr><tr><td>Spettrografo Imspector N25E</td><td>Specim</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Scanner di imaging iperspettrale</td><td>Carinthian Tech Research AG</td><td>Costruttore sperimentale</td><td>Progettazione e assemblaggio di scanner e software di imaging iperspettrale</td></tr><tr><td>Matlab R2106a</td><td>Mathworks</td><td></td><td>Comprese le cassette degli attrezzi per l'elaborazione delle immagini, l'elaborazione dei segnali, le statistiche e l'apprendimento automatico</td></tr><tr><td>AP4 Poromoeter</td><td>Delta-T-Devices</td><td></td><td></td></tr><tr><td>LI-3100C Misuratore di area</td><td>LI-COR</td><td></td><td></td></tr><tr><td>BASF Fogli di polistirene Styradur</td><td>Obi Baumarkt</td><td>9706318</td><td>È possibile utilizzare diversi tipi di fogli di polistirene o altro materiale che separano il terreno con umidità diversa</td></tr></tbody></table>

rgb e imaging spettrale radice per pianta phenotyping e ricerca fisiologica: messa a punto sperimentale e protocolli di imaging

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

Migliore comprensione delle dinamiche di radice di pianta è essenziale per migliorare l'efficienza di utilizzo delle risorse dei sistemi agricoli e aumentare la resistenza delle cultivar di raccolto contro stress ambientali. Un protocollo sperimentale è presentato per RGB e l'imaging iperspettrale degli apparati radicali. L'approccio utilizza rizobox dove le piante crescono in terreno naturale sopra un tempo maggiore per osservare completamente sviluppati sistemi della radice. Impostazioni sperimentali sono esemplificate per valutare rhizobox piante sotto stress idrico e studiare il ruolo delle radici. Un'installazione di imaging RGB è descritto per quantificazione economico e veloce lo sviluppo delle radici nel tempo. L'imaging iperspettrale migliora la segmentazione radice dallo sfondo del suolo rispetto alla soglia di colore basata RGB. Il punto di forza dell'imaging iperspettrale è l'acquisizione di chemiometrica informazioni sul sistema suolo-radice per comprensione funzionale. Questo è dimostrato con mapping contenuto di acqua di alta risoluzione. Formazione immagine spettrale, tuttavia, è più complessa in immagine acquisizione, elaborazione ed analisi rispetto all'approccio RGB. Una combinazione di entrambi i metodi in grado di ottimizzare una valutazione completa dell'apparato radicale. Per il contesto della ricerca fisiologica phenotyping e pianta della pianta sono riportati esempi di applicazione l'integrazione di radice e tratti fuori terra. Ulteriore miglioramento dell'imaging di radice può essere ottenuto ottimizzando la qualità di immagine RGB con un'illuminazione migliore utilizzando diverse fonti di luce e di estensione dei metodi di analisi di immagine per dedurre il proprietà di zona di radice da dati spettrali.

Un protocollo sperimentale è presentato per la valutazione del terreno coltivato pianta radice sistemi con RGB e l'imaging iperspettrale. Combinazione di tempo di immagine RGB serie con chemiometrica informazioni da iperspettrale scansioni ottimizza intuizioni nelle dinamiche di radice di pianta.

RGB e Imaging spettrale radice per pianta Phenotyping e ricerca fisiologica: messa a punto sperimentale e protocolli di Imaging

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

L'obiettivo generale di questa procedura è ottenere informazioni complete sulle radici delle piante che crescono in rizocasse riempite di suolo, combinando diversi metodi di imaging. Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nel campo della fenotipizzazione e dell'allevamento vegetale, come il contributo di diverse architetture radicali a una migliore resistenza allo stress abiotico. Il vantaggio principale di questo approccio è che combina l'imaging RGB per l'architettura radicale e l'imaging iperspettrale per la funzionalità radicale.La potenzialità dell'uso dell'immagine iperspettrale per le radici si estende a un'ampia gamma di parametri della rizosfera, poiché le informazioni spettrali possono rivelare cambiamenti fisico-chimici su piccola scala indotti dalle radici delle piante. Una dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale, poiché le fasi di riempimento della rizobox devono essere eseguite con attenzione. In caso contrario, la crescita radicale e la visibilità delle radici risulteranno compromesse.Avviare questa procedura preparando le scatole radicolari per il riempimento del substrato, come descritto nel protocollo testuale. Inumidire il terreno secco fino a un contenuto idrico gravimetrico di 0,108 grammi per grammo, aggiungendo 400 grammi di acqua a 3.705 grammi di terreno secco. Mescolare delicatamente il terreno e l'acqua per ottenere una distribuzione omogenea dell'acqua.Disintegrare manualmente gli aggregati più grandi per mantenere la dimensione delle particelle inferiore o uguale a due millimetri. È fondamentale ottenere uno strato omogeneo di suolo accanto alla finestra di osservazione del gas, evitando interstizi d'aria. Le punte radicali delle piante si disidratano rapidamente quando crescono negli interstizi d'aria.Anche la qualità dell'immagine spettrale per la mappatura dell'acqua risente negativamente. Riempire le rizocasse aperte con il terreno pre-umettato e compattarlo delicatamente utilizzando un foglio di polistirene per coprire il volume interno della cassetta, ottenendo così una densità apparente omogenea di 1,3 grammi per centimetro cubo. Aggiungere la quantità rimanente di acqua per raggiungere il contenuto idrico desiderato di 0,31 centimetri cubi per centimetro cubo, spruzzandola sulla superficie con un flacone spray.Assicurarsi una dimensione ridotta delle gocce per evitare il degrado della struttura superficiale, nonché un bagnamento omogeneo. Mantenere la scatola su una bilancia durante la nebulizzazione per monitorare la quantità di acqua effettivamente aggiunta al substrato. Lasciare che l'acqua si ridistribuisca per 10 minuti, quindi premere il vetro sulla superficie e fissarlo con le guide laterali in metallo.Il peso finale medio dei rizobox con substrato bagnato era di 17.818 più o meno 68 grammi. Dotare la stanza climatica di otto lampade LED che forniscono un'illuminazione omogenea di 450 micromoli per metro quadrato al secondo con picchi spettrali a 440 e 660 nanometri per una crescita ottimale delle piante. Dopo aver impostato i parametri ambientali in base alle esigenze della pianta e dell'esperimento, coprire la finestra di vetro con una piastra di legno per mantenere la zona radicale al buio ed evitare la crescita di alghe dovuta alla luce che penetra attraverso la superficie di vetro.Quindi posizionare le scatole radicolari a un'inclinazione di 45 gradi utilizzando un adeguato telaio metallico. Questo massimizza la crescita radicale verso la superficie di vetro grazie al gravitropismo. Per l'acquisizione d'immagini radicolari RGB, illuminare la scatola radicolare mediante quattro tubi fluorescenti da 24 watt montati a una distanza di 80 centimetri dalla scatola radicolare.Montare inoltre quattro lampade UV da 15 watt a 20 centimetri dal sistema di illuminazione alternativo della rhizobox, sfruttando l'autofluorescenza radicale in caso di basso contrasto tra la radice e lo sfondo del substrato di colore chiaro. Accendere le lampade UV e quindi posizionare la rhizobox da acquisire nel supporto della camera di acquisizione. Successivamente, acquisire due immagini per coprire la metà superiore e quella inferiore della rhizobox, con un'area di sovrapposizione di circa tre centimetri.Acquisire ed elaborare le immagini RGB come descritto nel protocollo testuale. Infine, eseguire l'analisi delle immagini radicarie RGB acquisite e successivamente verificare la presenza di aree non corrispondenti. In tal caso, definire un'area di esclusione e riavviare l'analisi.Per le radici non classificate, aggiungere ulteriori classi di colore e riavviare l'analisi. Per gli elementi classificati erroneamente come radici, attivare o aumentare le opzioni di filtraggio per detriti e bordi irregolari. Eseguire l'acquisizione delle immagini determinando innanzitutto i tempi di integrazione della fotocamera per la scansione del rhizobox e per lo standard bianco nel software della fotocamera.A tal fine, aprire l'interfaccia grafica di acquisizione immagini e spostare la telecamera in una posizione del rizobox in cui siano presenti radici. Regolare il tempo di integrazione della telecamera puntando su un oggetto chiaro in modo che circa l'85% del range dinamico completo della telecamera venga utilizzato sull'istogramma visualizzato dal software. Impostare correttamente il tempo di integrazione per diversi substrati e tessuti radicali è fondamentale per sfruttare appieno il range dinamico della telecamera a infrarossi, evitando qualsiasi perdita di informazione dovuta al superamento del suo limite.Ripetere il processo per lo standard bianco spostando il sistema di posizionamento della telecamera in modo da puntare lo standard bianco prima di chiudere il software della telecamera. Successivamente, aprire l'interfaccia grafica di imaging di Matlab e inserire tutte le impostazioni della scansione attuale della rizocassa. Acquisire gli standard scuro e bianco prima di ogni sessione di acquisizione immagini una volta al giorno.Il campione scuro rappresenta il rumore della fotocamera, mentre il campione chiaro fornisce la massima riflettanza. Questi dati sono necessari per la normalizzazione delle immagini durante la pre-elaborazione. Definire se viene scansionata l'intera scatola radicale o solo una parte di essa.Nel caso in esame, vengono acquisite immagini di interi rizobox. Quindi avviare la scansione. Per la misurazione spettrale del contenuto idrico, è necessario un rizobox di calibrazione.Dividere un rizobox in compartimenti da cinque centimetri utilizzando fogli di polistirene per riempirli con suolo a diversi contenuti di acqua. Scansionare il rizobox di calibrazione con le stesse impostazioni utilizzate per i rizobox piantumati. A titolo di esempio, per combinare caratteristiche radicali e aeree, utilizzare il porometro fogliare per la misurazione della conduttanza degli stomi.Equilibrare il dispositivo alle condizioni ambiente per almeno un'ora nella camera climatica. Effettuare le misurazioni su almeno tre foglie per pianta. Viene mostrata qui un'immagine rappresentativa della crescita radicale della coltivar di barbabietola da zucchero Ferrara, basata su imaging RGB.A 35 giorni dalla semina, le radici delle piante si sono allungate fino a raggiungere il fondo della rizocassa. Alcuni assi radicali nella parte superiore della rizocassa non hanno potuto essere segmentati a partire dalle immagini RGB. La senescenza delle radici basali più vecchie ne modifica il colore, che diventa marrone.Pertanto, la separazione tra queste radici e lo sfondo del suolo basata su una soglia di colore fallisce. Utilizzando l'immagine iperspettrale, la segmentazione si basa su diverse caratteristiche spettrali tra le radici in primo piano e lo sfondo del suolo. Ciò migliora il risultato della segmentazione.Le differenze nella lunghezza radicale misurata rispetto a un'immagine di riferimento rilevata manualmente sono solo del 1,5%. Inoltre, l'imaging spettrale consente una mappatura dettagliata del contenuto di acqua intorno alla radice per dedurne l'assorbimento. Qui lo scheletro radicale è mostrato in nero. Le aree più chiare indicano regioni di maggiore deplezione di acqua in prossimità degli assi radicali.Le aree blu più scure rappresentano regioni con un contenuto idrico del suolo più elevato, al di fuori della portata delle radici. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come riempire correttamente le rizocasse per garantire una crescita radicale soddisfacente e una buona visibilità. Questo costituisce la base per successivi imaging e risultati rappresentativi della fenotipizzazione radicale.Una volta seguita questa procedura, è possibile eseguire altri metodi di classificazione spettrale, come il clustering K-means o le macchine a vettori di supporto, per ottenere informazioni approfondite sulle proprietà delle radici e della rizosfera, come la senescenza e la decomposizione radicale. Una volta stabilita, questa tecnica consente di fenotipizzare in modo completo i sistemi radicali e la risposta allo stress abiotico. Un insieme di 10 cultivar può essere caratterizzato con una durata sperimentale totale inferiore a tre mesi.

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

Research

Ricerca

JoVE Journal

Environment

Ambiente

Questo protocollo descrive un procedimento per la rapida raccolta di immagini di piantine di Arabidopsis rispondono ad uno stimolo gravità utilizzando commercialmente disponibili scanner piani. Il metodo consente di poco costoso, ad alto volume cattura di immagini ad alta risoluzione possono essere sindacate per algoritmi di analisi a valle.

Utilizzo di Scanner Flatbed per la raccolta ad alta risoluzione e ritardi Immagini della Arabidopsis Root gravitropica risposta

Qui, presentiamo un protocollo per lo studio di comportamento di sviluppo di pianta e soprattutto fenotipi in maniera riproducibile. Vi mostriamo come fornire variabile e allo stesso tempo luce stabile condizione. Adeguata analisi dipendono dal numero di campione sufficiente e valide valutazioni statistiche.

Analisi del comportamento di crescita di Arabidopsis thaliana in diverse qualità di luce

Visualizzazione e misurazione radice crescita in situ è estremamente impegnativo. Presentiamo un metodo rhizobox personalizzabile per tracciare lo sviluppo delle radici e la proliferazione nel tempo in risposta all'arricchimento in nutrienti. Questo metodo viene utilizzato per analizzare le differenze genotipiche mais nella plasticità di radice in risposta a una fonte di azoto organico.

Un protocollo di Rhizobox ottimizzato per visualizzare la crescita delle radici e tempi di risposta alle sostanze nutrienti localizzate

Descriviamo un nuovo approccio tecnico per studiare le risposte fotosintetiche in impianti superiori che comportano misurazioni simultanee della clorofilla a fluorescenza e riflettanza delle foglie utilizzando un PAM e un radiometro spettrale per il rilevamento dei segnali stessa area foglia in Arabidopsis.

Valutazione dei comportamenti fotosintetici mediante misurazioni simultanee della riflettanza delle foglie e delle analisi della fluorescenza della clorofilla

Utilizziamo semplici strumenti di laboratorio per esaminare l'architettura del sistema di root (RSA) di Arabidopsis e Medicago. Le piantine vengono coltivate idroponicamente su rete e distribuite usando un pennello artistico per rivelare la RSA. Le immagini vengono scattate utilizzando la scansione o una fotocamera ad alta risoluzione, quindi analizzate con ImageJ per mappare i tratti.

Un semplice protocollo per mappare i tratti dell'architettura del sistema di root delle piante

Abbiamo progettato un protocollo di fenotipizzazione basato su immagini per determinare le risposte morfologiche e fisiologiche a trattamenti singoli e combinati di calore, siccità e ristagno idrico. Questo approccio ha permesso di identificare le risposte precoci, tardive e di recupero a livello di intero impianto, in particolare le parti fuori terra, e ha evidenziato la necessità di utilizzare più sensori di imaging.

Fenotipizzazione basata su immagini ad alta produttività per determinare le risposte morfologiche e fisiologiche a stress singoli e combinati nella patata

Viene presentato un metodo per l'imaging a basso costo delle piante per misurare i fenotipi, insieme alle migliori pratiche per l'acquisizione delle immagini e una pipeline di analisi delle immagini per quantificare i tratti delle piante. Questi metodi sono stati applicati per misurare i fenotipi del mais (Zea mays) in condizioni di caldo, siccità e stress abiotico combinato.

Imaging e analisi per la quantificazione dei fenotipi di stress abiotico del mais (Zea mays)

Biomassa vegetale offre una risorsa rinnovabile per più prodotti, compreso il combustibile, mangimi, prodotti alimentari e una varietà di materiali. In questo articolo analizziamo le proprietà di albero di tabacco (Nicotiana glauca) e pioppo fonti adatti per una pipeline bioraffineria.

Trascrizione e metabolita Profiling per la valutazione del Tabacco Albero e pioppo come materia prima per l&#39;industria con sede a Bio

Comprendere il ruolo di eterogeneità ambientale in specie la convivenza è tipicamente concentrata sui tipi di eterogeneità che sono estrinseco alla composizione delle specie della comunità. Noi forniamo i dettagli sui metodi innovativi per la creazione di trattamenti eterogeneità del terreno utilizzando terreni soggetti a pianta-suolo risposte di condizionamento, o eterogeneità intrinseca alla composizione della comunità.

Protocollo sperimentale per eterogeneità del terreno manipolazione Plant-indotta

Viene presentato un approccio robusto e flessibile per confermare la resistenza agli erbicidi nelle popolazioni di erbe infestanti. Questo protocollo consente di dedurre i livelli di resistenza agli erbicidi e di applicarli a un'ampia gamma di specie di erbe infestanti ed erbicidi con adattamenti minori.

Protocolli per Robust erbicidi Test della resistenza in diversi Weed Specie

Scopri il fenotipaggio delle radici con imaging RGB e iperspettrale per analizzare l'architettura e la funzionalità delle piante in rizobox. Questo metodo combina tecniche avanzate per studiare la resistenza allo stress abiotico.

RGB e Imaging spettrale radice per pianta Phenotyping e ricerca fisiologica: messa a punto sperimentale e protocolli di Imaging

Esplora altri video