Misurazione di stoloni e rizomi di agrotecniche utilizza un sistema di analisi di immagine digitale
19 febbraio 2019
Un sistema di analisi di immagine basata su software fornisce un metodo alternativo per studiare la morfologia delle specie stolonifere o rizomatosa. Questo protocollo permette la misurazione della lunghezza e del diametro di stoloni e rizomi e può essere applicato a campioni con una grande quantità di biomassa e di un'ampia varietà di specie.
Questo metodo può rispondere a domande chiave nella crescita e nella morfologia di stoloni e rizomi di diverse colture come erba, prati e pascoli. Il vantaggio principale di questa tecnica è che la lunghezza dello stolone e del rizoma può essere misurata in campioni con una grande quantità di biomassa per la quale il peso è l'unico parametro attualmente utilizzato. Raccogliere campioni utilizzando un campionatore del nucleo del suolo.
Includere la biomassa fuori terra e uno strato di terreno con una profondità appropriata, a seconda delle specie per garantire la raccolta di stoloni e rizomi. In alternativa, definite l'area di superficie da raccogliere con un telaio e raccogliete i campioni con una vanga. Etichettare ogni campione con nastro di laboratorio.
Per pulire i campioni di biomassa, posizionare il campione in un grande setaccio con aperture da 0,5 a 1,5 millimetri, a seconda delle dimensioni dello stolone o del rizoma. Le aperture dovrebbero essere abbastanza piccole da trattenere tutti gli stoloni e i rizomi, ma abbastanza grandi da consentire la rimozione delle particelle del suolo. Pulire i campioni con un flusso d'acqua con abbastanza energia per rimuovere le particelle di terreno senza danneggiare le piante.
Recuperare i campioni puliti e metterli in un vassoio con tovaglioli di carta, facendo attenzione a etichettare i vassoi in modo appropriato. Pulire ulteriormente i campioni rimuovendo radici e foglie con le forbici. Durante questo processo, separare gli stoloni e i rizomi se necessario e registrare informazioni aggiuntive, come il numero di piante, fresatrici e stoloni per pianta.
Posizionare gli stoloni e i rizomi in sacchetti etichettati in carta. Posizionare il campione su un vassoio di plastica trasparente dell'apparecchiatura di scansione standard WinRHIZO. Posizionare manualmente gli stoloni e i rizomi utilizzando le forcep di laboratorio per ridurre al minimo la sovrapposizione.
Potrebbe essere necessario suddividere campioni di grandi dimensioni in sotto-campioni. Posizionare il vassoio sulla superficie dello scanner, quindi accendere lo scanner e iniziare a eseguire il programma. Per un ulteriore controllo in un'immagine salvata, controllare il dpi immagine nel menu Immagine selezionando il comando Image Acquisition Parameter.
Per una buona classificazione dei pixel appartenenti agli organi scansionati, controllare la soglia e l'analisi selezionando il comando Distinzione sfondo radice. Verificare che l'intera superficie del vassoio venga scansionata nel menu Immagine selezionando il comando Parametro acquisizione immagine. Ora controlla la classe di diametro visualizzata per la distribuzione degli organi per diametro nell'area grafica sopra l'immagine digitalizzata.
Selezionare 20 classi di larghezza uguale con intervalli di 0,1 millimetri facendo clic sull'accesso orizzontale del grafico. Questa funzione consente l'esclusione di dati appartenenti a radici o piccoli organi quando stoloni o rizomi non sono stati perfettamente puliti. La letteratura riporta che la maggior parte delle radici delle specie di erba hanno un diametro inferiore a 0,2 millimetri.
Eseguire la prima scansione di esempio e verificare che la modifica consenta una buona analisi. Seguire le istruzioni software per salvare l'immagine. Infine, elaborare l'analisi seguente opzione software ed etichettare l'immagine e l'analisi con l'etichetta di esempio.
Procedere con la scansione di tutti i campioni. Per eseguire la misurazione del peso secco, posizionare i campioni scansionati in un vassoio di alluminio tarato su un bilanciere elettronico preciso e registrare la loro tara. Ripetere questo passaggio per tutti i campioni analizzati.
Inserire tutti i campioni in un spesso impostato su 105 gradi Celsius e asciugarli per 24 ore. Il giorno successivo, rimuovere i campioni e attendere che il peso del tessuto si sia stabilizzato. Quindi, pesare tutti i campioni con la loro tara.
Sottrarre la tara dal peso registrato per ottenere il peso netto di ciascun campione. Vengono mostrati i risultati di una prova sul campo che confronta la densità di lunghezza dello stolone e del rizoma di quattro cultivar Bermudagrass di tipo tappeto erboso. C'è una differenza significativa nella densità di lunghezza dello stolon tra le cultivar vegetative Patriot e Tifway e le cultivar sementi La Paloma e Yukon in campioni raccolti nel luglio 2014.
Per i rizomi, Patriot mostra la densità di lunghezza più alta, seguita da Tifway, e le cultivar sementi. Lo sviluppo della densità di lunghezza dello stolon della cultivar Patriot durante tutto il periodo di studio mostra un aumento da marzo 2014 a luglio 2014 e non è variato da luglio 2014 a luglio 2015. Pochi rizomi sono stati trovati in campioni raccolti nell'ottobre 2013 e nel marzo 2014.
La densità della lunghezza del rizoma aumenta nel luglio 2014, raggiungendo i valori più alti. Ma diminuisce di nuovo nell'ottobre 2014. Quando si tenta questa procedura, è importante ricordare di selezionare campioni rappresentativi, pulire meticolosamente stoloni e rizomi prima dell'analisi e selezionare la larghezza delle classi di diametro utilizzando opzioni software per includere solo stoloni e rizomi nell'analisi.
Panoramica
Questo articolo presenta un sistema software di analisi delle immagini progettato per lo studio della morfologia di specie stolonifere e rizomatose. Il protocollo consente la misurazione della lunghezza e del diametro di stoloni e rizomi, applicabile a campioni con biomassa significativa.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Morfologia vegetale
- Tecniche di analisi delle immagini
- Scienza delle colture
Sfondo
- Comprendere la crescita e la morfologia di stoloni e rizomi è fondamentale per diverse colture.
- I metodi attuali si basano principalmente su misurazioni del peso, limitando l'analisi.
- Questo studio introduce un metodo che migliora l'accuratezza delle misurazioni.
- Si concentra su specie come le graminacee da tappeto erboso, i prati e i pascoli.
Scopo dello studio
- Fornire un metodo alternativo per misurare la morfologia di stoloni e rizomi.
- Facilitare l'analisi di campioni con elevata biomassa.
- Migliorare la comprensione della dinamica della crescita vegetale.
Metodi Utilizzati
- Prelievo di campioni mediante campionatori ad anello o telai.
- Pulizia dei campioni utilizzando setacci e flussi d'acqua.
- Scansione dei campioni con apparecchiatura standard WinRHIZO.
- Misurazione del peso secco dopo l'essiccazione dei campioni a 105 gradi Celsius.
Risultati principali
- Differenze significative nella densità della lunghezza dei stoloni tra diversi cultivar di Erba Bermuda.
- Il cultivar Patriot ha mostrato la più alta densità della lunghezza dei rizomi.
- La densità della lunghezza dei stoloni è aumentata nel corso del periodo di studio per il cultivar Patriot.
- La densità dei rizomi ha mostrato variazioni stagionali, con picchi nel mese di luglio.
Conclusioni
- Il metodo consente una misurazione precisa di stoloni e rizomi.
- Migliora la comprensione della morfologia vegetale in relazione alla biomassa.
- Una selezione accurata dei campioni e una pulizia accurata sono fondamentali per un'analisi precisa.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Una caratterizzazione morfologica accurata di strutture vegetali come stoloni e rizomi supporta la validazione degli obiettivi in agroscienza e nella scoperta di prodotti naturali. L'analisi digitale delle immagini consente misurazioni ad alto rendimento dei tratti strutturali, migliorando l'affidabilità predittiva nei flussi di lavoro di screening fenotipico. Questo approccio riduce la dipendenza da metodi manuali a basso rendimento, potenziando la scalabilità per studi su grandi campioni nella fase iniziale della scoperta.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione dell'Obiettivo
- Valore scientifico: Consente l'analisi di fenotipi di crescita associati alla produzione di composti bioattivi in specie di tappeti erbosi e foraggere.
- Valore operativo: Permette una rapida quantificazione della lunghezza e del diametro di stoloni e rizomi su ampi insiemi di campioni.
- Valore predittivo: Facilita la correlazione tra tratti morfologici e vie biochimiche per l'identificazione di candidati promettenti.
Sviluppo di Screening e Saggi
- Valore scientifico: Genera dati quantitativi su lunghezza e diametro adatti alla standardizzazione e riproducibilità dei saggi.
- Valore operativo: Consente l'esclusione di parti vegetali estranee mediante soglie di diametro, migliorando la specificità delle misurazioni.
- Scalabilità: Permette l'elaborazione di numerose campioni attraverso l'analisi automatica delle immagini, aumentando la produttività.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Continuità traslazionale: Fornisce dati di sistema pertinenti alla malattia per le graminacee utilizzate nei sistemi foraggeri e pascolivi.
- De-risking meccanicistico: Collega lo sviluppo strutturale ai modelli di crescita stagionali, supportando la modellizzazione predittiva.
- Allineamento dei biomarcatori: Permette il monitoraggio della densità di stoloni e rizomi come possibili indicatori fenotipici.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si inserisce nei flussi di lavoro della fase iniziale di scoperta fino a quella preclinica, fornendo output morfologici quantificabili che contribuiscono a valutare la fiducia sul bersaglio e l'analisi dei percorsi biologici.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi sulle dinamiche di crescita e lo sviluppo strutturale in sistemi a base vegetale.
- Screening: Fornisce misurazioni quantitative e riproducibili che permettono confronti affidabili tra composti o condizioni.
- Analisi: Produce come output la lunghezza totale, il diametro medio e il peso secco, facilitando l'analisi multivariata.
- Ricerca traslazionale: Collega i dati morfologici alle variazioni stagionali e alle differenze tra cultivar per la modellizzazione predittiva.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce un protocollo standardizzato di acquisizione delle immagini applicabile tra specie di graminacee e diversi tipi di campioni.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nelle associazioni tra tratti e fenotipi attraverso morfometrie precise.
- Valore operativo: Riduce l'intensità lavorativa e gli errori umani nelle misurazioni manuali di lunghezza e diametro.
- Valore strategico: Consente decisioni basate sui dati di tipo sì/no nei programmi precoci di prodotti naturali.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione aggiustata per il rischio basata sulla coerenza dei tratti strutturali tra diversi cultivar.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nella preparazione dei campioni vegetali e nell'uso del software di analisi delle immagini.
- È subordinato all'accesso a strumentazione di scansione come WinRHIZO e a condizioni di illuminazione controllate.
- Necessita di protocolli standardizzati di pulizia per rimuovere radici e foglie che potrebbero interferire con l'analisi.
- Richiede l'ottimizzazione delle impostazioni delle classi di diametro per escludere artefatti di piccolo diametro.
- È limitato a campioni che possono essere disposti senza sovrapposizioni su vassoi trasparenti per una scansione accurata.
