Name: RGB- en spectrale Root Imaging voor Plant fenotypering en fysiologisch onderzoek: experimentele opzet en Imaging protocollen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-08T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 37 s
Description: Leer RGB- en hyperspectrale beeldvorming voor plantfenotypering en wortelarchitectuuronderzoek. Deze methode combineert worteldynamiek met fysiologische inzichten voor verbeterde veredelingsstrategieën.

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

De auteurs erkennen financiering uit de Oostenrijkse wetenschap Fonds FWF via het Project nummer P 25190-B16 (de wortels van de droogte resistentie). Oprichting van de Hyperspectrale beeldvorming infrastructuur werd financieel ondersteund door de federale regering van Neder-Oostenrijk (Niederösterreich Land) via het project K3-F-282/001-2012. Aanvullende financiering voor de suikerbieten experiment van AGRANA onderzoek werd ontvangen &#38; Innovation Center GmbH (ARIC). De auteurs bedanken Craig Jackson voor technische ondersteuning tijdens het experiment en de Engelse correctie van het manuscript. Wij erkennen ook Markus Freudhofmaier die hebben bijgedragen aan de vestiging de RGB-imaging setup en Josef Schodl voor bouw van de montage van de 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>

De auteurs hebben niets te onthullen.

De protocollen bieden twee complementaire benaderingen voor grond gekweekte wortelsysteem imaging. Een cruciale stap voor betrouwbare experimentele resultaten is het invullen van de rhizoboxes die moet zorgen voor een zelfs en homogene substraat laag op het front glas bieden strakke wortel-bodem contactpersoon bij het kijkvenster en voorkomen van de luchtspleet. Dit is de belangrijkste reden voor het gebruik relatief fijne gezeefde bodem van &#60; 2 mm: grotere aggregaten resulteren in hogere oppervlakte morfologie bij het kijkvenster met leegtes tussen aggregaten. Naast een hoger risico van wortel tip uitdroging vereist dit ook complexere afbeelding verwerkingstechnieken voor water toewijzing31.
Wijzigingen van het protocol is daarom gericht op verbeterde en snel vullen van rhizoboxes. Momenteel vullen tijd is ongeveer 30 minuten per doos. Bovendien gebruik van rhizoboxes met twee glazen ramen voor beeldvorming van de beide zijden en wijzigingen aan het optimaliseren van de homogeniteit van de verlichting voor betere RGB-afbeeldingen worden getest. Verdere uitbreiding van de hardware zou ook integratie van vlakke optodes32 , alsmede precisiecapaciteit imaging33 in het rhizobox-systeem kunnen overwegen. Dit valt echter buiten de huidige upgraden activiteiten.
Software wijzigingen gericht op automatische beeldregistratie fuse boven en beneden RBG beelden34. Hyperspectrale benadert beeldvorming geavanceerde functie van ongecontroleerde winning28 evenals gevoeliger gecontroleerde doel detectiemethoden zoals SVMs35 worden getest. Waardoor maakt de hyperspectrale gegevens mogelijk voor de beoordeling van meerdere bodem, rhizosfeer en wortel eigenschappen36. Bovendien is bedoeld voor het ontwikkelen van een (semi) geautomatiseerde software voor rhizobox wortel afbeeldingen op basis van een gewijzigde versie van het wortelsysteem Analyzer37 te kwantificeren morfologische (diameter, lengte, oppervlak) en architecturale kenmerken (vertakkende frequentie, vertakking van de hoeken).
De belangrijkste beperking van het protocol in vergelijking met 3D imaging benaderingen is de beperking tot de oppervlakte zichtbaar wortel en de eigenschappen van de rhizosfeer. Toch is gebleken dat de zichtbare wortel trekken een betrouwbare proxy voor de hele root systeem21 zijn. De rhizobox-techniek is gemakkelijk gecombineerd met traditionele destructieve bemonstering (wassen) aan het einde van de dynamische groei imaging om te valideren van de relatie van zichtbare vs. totale wortelsysteem eigenschappen. Zoals deze relatie tussen soorten21 variëren kan, wordt destructieve bemonstering aanbevolen om een betrouwbare afleiding van de zichtbare eigenschappen voor elke nieuwe fenotypering series met een ander gewas soorten.
Het belangrijkste voordeel van het hier gepresenteerde protocol is de combinatie van realistische groeiomstandigheden (bodem), relatief hoge potentiële doorvoer voor stoffelijk opgelost RGB beeldvorming en gevolgtrekking op basis functionaliteit (bijvoorbeeld de opname van water) via de chemometric wortel en rhizosfeer gegevens van Hyperspectrale beeldvorming. Waardoor de methoden overwint gevolgtrekking beperkingen in hoge-doorvoer zaailing en niet-bodem wortel imaging methoden14, terwijl hierdoor gedeeltelijk diepe fenotypering inzicht in functionele processen met minder experimentele complexiteit en hogere doorvoer in vergelijking met geavanceerde 3D methoden15.
In de aankomende experimenten het protocol worden gebruikt voor het bestuderen van het effect van mycorrhiza wortelsysteem ontwikkeling en functionaliteit van peulvruchten, ook wat betreft fenotypering wortel kenmerken in verband met de bodemstructuur, stikstof en koolstof soorten cover gewas fietsen.

Wortels voorzien planten zoals opslag van verschillende essentiële functies assimileert, ankerplaats van terrestrische planten uit de bodem, en de opname en het transport van water en voedingsstoffen1. Vanuit een evolutionair oogpunt, de vorming van wortel assen wordt beschouwd als een fundamentele voorwaarde voor het ontstaan van land planten2. Ondanks deze belangrijke rol, hebben historisch wortels bezet slechts een marginale positie in biologisch onderzoek. In recentere tijden, echter er is steeds meer wetenschappelijke belangstelling in plant wortelstelsel zoals blijkt uit Figuur 1.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56251/56251fig1.jpg"> 
Figuur 1: Relevantie van wortel studies in Plantenwetenschappen. Aantal wortel gerelateerde studies als een percentage van alle gepubliceerde plant studies in SCI tijdschriften in de afgelopen decennia. Zoekresultaat van Scopus met behulp van de trefwoorden "plant" en "plant en root". <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56251/56251fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
Twee belangrijke redenen kunnen worden veronderstelde om ten grondslag liggen aan de recente vooruitgang in het onderzoek van de wortel. Eerste, terrestrische vegetatie wordt blootgesteld aan vaker milieu benadrukt als gevolg van veranderingen in het aardsysteem3. In het kader van landbouwgewassen productie geschat wordt dat wereldwijd ongeveer 30% van het landbouwareaal wordt beperkt door water en fosfor4,5. Stress reductie van gewasopbrengst zijn een hoofdoorzaak van significante opbrengst leemtes die wereldwijd worden geschat op lagere 50% van de potentiële productiviteit voor neerslag agro-ecosystemen6. Naast lage resourcebeschikbaarheid, is dit ook gerelateerd aan arme gebruik efficiënt beheer van hulpbronnen, d.w.z. onvoldoende capaciteit van een installatie te benutten van de beschikbare middelen7. Dit resulteert in verlies van mobiele bronnen zoals nitraat die negatief van invloed kan zijn op de andere ecosystemen. De huidige wereldwijde stikstof gebruik efficiëntie wordt bijvoorbeeld geschat op 47%8. Betere resource gebruik efficiëntie via verbeterde managementmethoden en cultivars is daarom van groot belang voor zowel duurzame groei landbouwprodukten alsook wat betreft de duurzaamheid van het milieu. In deze context fabriek wortels worden beschouwd als een kerndoel voor verbeterde gewassen en bijsnijden systemen9,10.
Een tweede belangrijk achtergrond voor de recente belangstelling voor plantenwortels is technologische vooruitgang in meetmethoden. Root methoden hebben lang zijn beperkt door twee belangrijke uitdagingen: voor meting van de wortels van planten die groeien in de bodem worden geïsoleerd voor kwantificering moesten, meestal door het wassen van11, gevolg daarvan verstoringen ondergaat de architecturale rangschikking van wortel assen. In-situ wortel observatie met behulp van de opgraving methoden, waardoor het behoud van de natuurlijke ligging van de wortels in de bodem, voor Botanische beschrijving12zijn gebruikt. Nog steeds zijn zeer tijdrovend en dus niet voldoen aan de eisen van de doorvoer van vergelijkende structurele-functionele wortelsysteem analyse. Aan de andere kant werden hoge gegevensdoorvoer methoden voor root het platform meting meestal gedaan op kunstmatige media en voor seedling planten13 waar de extrapolatie naar de omgeving van de natuurlijke groei van planten is twijfelachtig14.
De recente boom van wortel onderzoek is nauw verbonden met het voorschot in imaging methoden15. Imaging benaderingen in wortel studies kan ruwweg worden ingedeeld in drie typen. Ten eerste zijn er hoge resolutie 3D methoden zoals CT en MRI16. Deze methoden zijn meest geschikt om interactie processen van plantenwortels met grond, te bestuderen, zoals droogte veroorzaakte xylem longembolie17. Meestal worden ze toegepast op relatief kleine steekproeven waar zij gedetailleerde opmerkingen maken. Een vergelijking van CT en MRI voor verschillend formaat potten en fijne wortel imaging is beschikbaar in18. Ten tweede, zijn er high-throughput beeldvormende methoden19,20. Deze methoden zijn meestal op basis van gemeenschappelijke 2D RGB beeldvorming van wortels groeien op kunstmatige media (gel, kiemkracht papier) waar hoog contrast kan relatief eenvoudig dissectie tussen wortels en achtergrond. Ze zijn geschikt voor hoge doorvoer vergelijking tussen zaailing wortel eigenschappen van verschillende gewas genotypen onder gestandaardiseerde kunstmatige groeiende voorwaarden13. Tussen deze twee benaderingen zijn rhizobox methoden: ze gebruiken 2D beeldvorming van wortels groeien in de bodem over langere periode en hebben middellange doorvoer21,22. Een recente uitdaging aan (2D) wortel imaging is te vangen ook indicatoren van wortel functionaliteit naast de beschrijving van de structuur23.
In het huidige document presenteren we de experimentele protocollen voor imaging-rhizobox root-systemen die gebruikmaken van (i) een goedkope en eenvoudige op maat gemaakte RGB imaging setup en (ii) een complexere NIR imaging setup gegroeid. Voorbeeld van de resultaten van deze twee opstellingen worden getoond en besproken in het kader van de plant fenotypering en de fysiologische plantenonderzoek.

<table><tbody><tr><td>Rhizobox</td><td>Technisches Büro für Bodenkultur</td><td>Experimentele bouwer</td><td></td></tr><tr><td>LED Lamps ATUM HORTI 600</td><td>Klutronic</td><td>AHI10600F</td><td></td></tr><tr><td>Fluorescent light tube HiLite T5 Day</td><td>Juwel Aquarium</td><td>86324</td><td></td></tr><tr><td>UV light tube 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 SWIR camera</td><td>Xenics</td><td>XEN-000105</td><td></td></tr><tr><td>Spectrograph Imspector N25E</td><td>Specim</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Hyperspectral imaging scanner</td><td>Carinthian Tech Research AG</td><td>Experimentele bouwer</td><td>Ontwerp en assemblage van Hyperspectral Imaging Scanner en software</td></tr><tr><td>Matlab R2106a</td><td>Mathworks</td><td></td><td>Met inbegrip van Toolboxes voor Beeldverwerking, Signaalverwerking en Statistiek en Machine Learning</td></tr><tr><td>AP4 Poromoeter</td><td>Delta-T-Devices</td><td></td><td></td></tr><tr><td>LI-3100C Area Meter</td><td>LI-COR</td><td></td><td></td></tr><tr><td>BASF Styradur polystyreen platen</td><td>Obi Baumarkt</td><td>9706318</td><td>Verschillende soorten polystyreen platen of ander materiaal dat verschillend bevochtigde grond kan scheiden</td></tr></tbody></table>

rgb- en spectrale root imaging voor plant fenotypering en fysiologisch onderzoek: experimentele opzet en imaging protocollen

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

Beter begrip van de plant wortel dynamiek is essentieel voor de verbetering van de hulpbronnenefficiëntie gebruik van landbouwsystemen en verhogen de weerstand van gewas cultivars tegen milieu benadrukt. Een experimenteel protocol wordt gepresenteerd voor RGB- en Hyperspectrale beeldvorming van het wortelstelsel. De benadering wordt rhizoboxes gebruikt waar de planten groeien in natuurlijke grond over een langere tijd te observeren volledig ontwikkelde wortelstelsel. Experimentele instellingen zijn geïllustreerd voor het beoordelen van rhizobox planten onder waterstress en bestuderen van de rol van de wortels. Een RGB-imaging installatie is beschreven voor goedkope en snelle kwantificering van wortel ontwikkeling na verloop van tijd. Hyperspectrale beeldvorming verbetert de segmentering van de wortel van de achtergrond van de bodem in vergelijking met de RGB-kleur gebaseerd drempelmethode. De bijzondere kracht van Hyperspectrale beeldvorming is de overname van chemometric informatie over het systeem van de root-bodem voor functioneel begrip. Dit is aangetoond met hoge resolutie water inhoud mapping. Spectrale imaging is echter complexer in Beeldacquisitie, verwerking en analyse in vergelijking met de RGB-aanpak. Een combinatie van beide methoden kan een veelomvattende beoordeling gegeven van het wortelsysteem optimaliseren. Toepassingsvoorbeelden integratie van wortel en bovengrondse eigenschappen worden gegeven voor de context van plant fenotypering en planten fysiologisch onderzoek. Verdere verbetering van de beeldvorming van de wortel kan worden verkregen door het optimaliseren van de kwaliteit van de afbeelding RGB met betere verlichting met behulp van verschillende lichtbronnen en door uitbreiding van afbeelding analysemethoden op root zone-eigenschappen uit de spectrale gegevens afleiden.

Een experimenteel protocol wordt gepresenteerd voor de beoordeling van de grond gekweekte plant wortelstelsel met RGB- en Hyperspectrale beeldvorming. Combinatie van RGB-afbeelding tijd serie met chemometric informatie van hyperspectrale scant optimaliseert inzichten in plant wortel dynamiek.

RGB- en spectrale Root Imaging voor Plant fenotypering en fysiologisch onderzoek: experimentele opzet en Imaging protocollen

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

Het algemene doel van deze procedure is om uitgebreide informatie te verkrijgen over plantenwortels die groeien in met bodem gevulde rhizoboxen door verschillende beeldvormingsmethoden te combineren. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen op het gebied van plantfenotypering en veredeling, zoals de bijdrage van verschillende wortelarchitecturen aan een betere abiotische stressbestendigheid. Het belangrijkste voordeel van deze aanpak is dat het RGB-beeldvorming voor de wortelarchitectuur combineert met hyperspectrale beeldvorming voor de wortelfunctionaliteit.Het potentieel van het gebruik van hyperspectrale beeldvorming voor wortels strekt zich uit tot een breed scala aan rhizosfeerparameters, omdat de spectrale informatie kleinschalige fysisch-chemische veranderingen kan onthullen die door plantenwortels worden veroorzaakt. Een visuele demonstratie van deze methode is essentieel, aangezien de stappen voor het vullen van de rhizobox zorgvuldig moeten worden uitgevoerd. Anders worden de wortelgroei en de zichtbaarheid van de wortels negatief beïnvloed.Begin deze procedure met de voorbereiding van de rhizoboxen voor het vullen met substraat, zoals beschreven in het tekstprotocol. Maak de droge grond vooraf nat tot een gravimetrisch watergehalte van 0,108 gram per gram door 400 gram water toe te voegen aan 3,705 gram droge grond. Meng de grond en het water voorzichtig om een homogene waterverdeling te verkrijgen.Breek grotere aggregaten handmatig op om de korrelgrootte kleiner dan of gelijk aan twee millimeter te houden. Het is essentieel om een homogene bodemlaag aan te brengen naast het gasobservatievenster om luchtvakken te voorkomen. Worteltoppen van planten drogen snel uit wanneer ze in luchtvakken groeien.Ook de spectrale beeldkwaliteit voor watermapping wordt negatief beïnvloed. Vul de open rhizoboxen met de voorbevochtigde bodem en verdicht deze voorzichtig met een polystyreenplaat die het binnenvolume van de box bedekt, om zo een homogene bulkdichtheid van 1,3 gram per kubieke centimeter te verkrijgen. Voeg de resterende hoeveelheid water toe om het doelwatergehalte van 0,31 kubieke centimeter per kubieke centimeter te bereiken door dit met een plantenspuit op het oppervlak te spuiten.Zorg voor een kleine druppelgrootte om degradatie van de oppervlaktestructuur te voorkomen, alsmede voor een homogene bevochtiging. Houd de doos tijdens het spuiten op een balans om de hoeveelheid water die daadwerkelijk aan het substraat is toegevoegd te monitoren. Laat het water 10 minuten herverdelen en druk vervolgens het glas op het oppervlak en fixeer dit met de metalen zijrails.Het gemiddelde eindgewicht van de rhizoboxen met nat substraat was 17.818 plus of minus 68 gram. Voorzie de klimaatkamer van acht LED-lampen die een homogene verlichting van 450 micromol per vierkante meter per seconde bieden, met spectrale pieken op 440 en 660 nanometer voor een optimale plantgroei. Nadat de omgevingsparameters zijn ingesteld volgens de behoeften van de plant en het experiment, bedekt u het glazen venster met een houten plaat om de wortelzone in het donker te houden en algengroei door licht dat door het glasoppervlak dringt te voorkomen.Plaats de rhizoboxen vervolgens onder een hoek van 45 graden met behulp van een geschikt metalen frame. Dit maximaliseert de wortelgroei richting het glasoppervlak als gevolg van gravitropisme. Voor RGB-wortelbeeldvorming wordt de rhizobox verlicht met vier fluorescerende lichtbuizen van 24 watt, bevestigd op een afstand van 80 centimeter van de rhizobox.Monteer daarnaast vier UV-buizen van 15 watt op 20 centimeter afstand van de alternatieve verlichting van de rhizobox, om gebruik te maken van wortelautofluorescentie in het geval van een laag contrast tussen de wortel en een helderkleurige substraatachtergrond. Schakel de UV-lampen in en plaats vervolgens de te fotograferen rhizobox in de houder van de imaging-box. Maak daarna twee afbeeldingen om de bovenste en onderste helft van een rhizobox te dekken, met een overlap van ongeveer drie centimeter.Verwerf en verwerk de RBG-beelden zoals gedetailleerd in het tekstprotocol. Voer ten slotte de analyse uit van de verkregen RBG-wortelbeelden en controleer vervolgens of er regio's zijn die niet overeenstemmen. Definieer in dat geval een uitsluitingsregio en start de analyse opnieuw.Voeg voor niet geclassificeerde wortels extra kleurklassen toe en start de analyse opnieuw. Activeer of verhoog voor elementen die onterecht als wortels zijn geclassificeerd de filteropties voor debris en ruwe randen. Voer de beeldacquisitie uit door eerst de integratietijden van de camera te bepalen voor de rhizobox-scan en de witte standaard in de camerasoftware.Doe dit door de GUI voor beeldvorming te openen en de camera te verplaatsen naar een positie in de rhizobox waar wortels aanwezig zijn. Pas de integratietijd van de camera aan door een licht object te richten, zodanig dat ongeveer 85% van het volledige dynamische bereik van de camera wordt benut op het door de software weergegeven histogram. Het correct instellen van de integratietijd voor verschillende substraten en wortelweefsels is cruciaal om optimaal gebruik te maken van het dynamische bereik van de infraroodcamera en om informatieverlies door overschrijding van dit bereik te voorkomen.Herhaal het proces voor de witte standaard door het camerapositioneringssysteem naar de witte standaard te verplaatsen voordat u de camerasoftware sluit. Open vervolgens de Matlab imaging GUI en voer alle instellingen van de huidige rhizobox-scan in. Neem de donkere en witte standaarden één keer per dag op vóór elke imaging-run.De donkere standaard vertegenwoordigt de cameraruis, terwijl de witte standaard de maximale reflectiviteit aangeeft. Deze gegevens zijn vereist voor beeldnormalisatie tijdens de voorbehandeling. Definieer of de volledige rhizobox of slechts een deel daarvan wordt gescand.In het huidige geval worden volledige rhizoboxen afgebeeld. Start vervolgens de scan. Voor spectrale meting van het watergehalte is een kalibratierhizobox nodig.Verdeel een rhizobox in compartimenten van vijf centimeter met behulp van polystyreenplaten om deze te vullen met grond met verschillende watergehaltes. Scan de kalibratierhizobox met dezelfde instellingen als gebruikt voor de beplante rhizoboxen. Om bijvoorbeeld wortelkenmerken en bovengrondse kenmerken te combineren, gebruik een bladporometer voor de meting van de stomatale conductantie.Laat het apparaat ten minste één uur in de klimaatkamer acclimatiseren tot de omgevingstemperatuur. Voer metingen uit bij ten minste drie bladeren per plant. Hier wordt een representatieve afbeelding van de wortelgroei van de suikerbietcultivar Ferrara getoond, gebaseerd op RGB-beeldvorming.35 dagen na het zaaien zijn de plantenwortels verlengd tot aan de bodem van de rhizobox. Sommige wortelasen aan de bovenkant van de rhizobox konden niet worden gesegmenteerd op basis van de RGB-beelden. Senescentie van de oudere basale wortels zorgt ervoor dat hun kleur verandert in bruin.Daarom mislukt scheiding tussen deze wortels en de bodemachtergrond op basis van een kleurdrempel. Door gebruik te maken van hyperspectrale beeldvorming is segmentatie gebaseerd op verschillende spectrale kenmerken van de wortelvoorgrond en de bodemachtergrond. Dit verbetert het segmentatieresultaat.Verschillen in de gemeten wortellengte ten opzichte van een handmatig bijgehouden referentiebeeld bedragen slechts 1,5%. Bovendien maakt spectrale beeldvorming een nauwkeurige mapping van het watergehalte rond de wortel mogelijk om conclusies te trekken over de wateropname. Hier wordt het wortelskelet in het zwart getoond. De lichtere gebieden tonen regio's met een hogere wateruitputting nabij de wortelasen.Terwijl donkerblauwe gebieden regio's vertegenwoordigen met een hoger bodemwatergehalte buiten het bereik van de wortels. Na het bekijken van deze video moet u een goed begrip hebben van hoe rhizoboxen correct gevuld moeten worden om een bevredigende wortelgroei en zichtbaarheid te garanderen. Dit vormt de basis voor latere beeldvorming en representatieve resultaten van wortelfenotypering.Na deze procedure kunnen andere methoden voor spectrale classificatie, zoals K-means clustering of support vector machines, worden uitgevoerd om diepgaande informatie te verkrijgen over wortel- en rhizosfeereigenschappen, zoals wortelsenescentie en -afbraak. Eenmaal vastgesteld, maakt deze techniek het mogelijk om wortelsystemen en de respons op abiotische stress uitgebreid te fenotyperen. Een set van 10 cultivars kan worden gekenmerkt met een totale experimentele duur van minder dan drie maanden.

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

Research

JoVE Journal

Environment

Milieu

Dit protocol beschrijft een werkwijze voor snelle verzameling afbeeldingen van Arabidopsis zaailingen reageren op een stimulus zwaartekracht met behulp van commercieel verkrijgbare flatbed scanners. De methode maakt het mogelijk voor goedkope, high-volume vastleggen van beelden met hoge resolutie vatbaar voor downstream analyse algoritmen.

Met behulp van flatbed scanners om High-resolution-Time vervallen Beelden van de Arabidopsis wortel gravitropic Response Collect

Hier presenteren we een protocol voor het bestuderen van de plant groei gedrag en vooral fenotypen op een reproduceerbare wijze. Variabele en op de dezelfde tijd stabiel lichtomstandigheden, tonen we hoe te verstrekken. Goede analyses, is afhankelijk van voldoende monster getallen en geldige statistische evaluaties.

Analyse van Arabidopsis thaliana groei gedrag in verschillende kwaliteiten van het licht

Visualiseren en meten wortel groei in situ is zeer uitdagend. We presenteren een aanpasbare rhizobox methode voor het bijhouden van de ontwikkeling van de wortel en proliferatie na verloop van tijd in reactie op de voedingsstoffen verrijking. Deze methode wordt gebruikt voor het analyseren van maïs genotypische verschillen in wortel plasticiteit in reactie op een organische stikstofbron.

Een geoptimaliseerde Rhizobox Protocol bij het visualiseren van de wortelgroei en responsiviteit gelokaliseerde nutriënten

We beschrijven een nieuwe technische benadering voor het bestuderen van fotosynthetische responsen in hogere planten waarbij gelijktijdige metingen van chlorofyl een fluorescentie-en blad reflectie met behulp van een pam en een spectrale Radiometer voor de detectie van signalen van de zelfde blad gebied in Arabidopsis.

Evaluatie van fotosynthetisch gedrag door gelijktijdige metingen van blad reflectantie en Chlorofylfluorescentie analyses

We gebruiken eenvoudige laboratoriumtools om de wortelsysteemarchitectuur (RSA) van Arabidopsis en Medicago te onderzoeken. De plantjes worden hydroponisch over gaas gekweekt en verspreid met behulp van een kunstkwast om de RSA te onthullen. Foto's worden gemaakt met behulp van scannen of een camera met hoge resolutie en vervolgens geanalyseerd met ImageJ om eigenschappen in kaart te brengen.

Een eenvoudig protocol voor het in kaart brengen van de eigenschappen van de plantwortelsysteemarchitectuur

We ontwierpen een op afbeeldingen gebaseerd fenotyperingsprotocol om de morfologische en fysiologische reacties op enkelvoudige en gecombineerde hitte-, droogte- en wateroverlastbehandelingen te bepalen. Deze aanpak maakte het mogelijk om vroege, late en herstelreacties te identificeren op het niveau van de hele fabriek, met name bovengrondse delen, en benadrukte de noodzaak van het gebruik van meerdere beeldsensoren.

Fenotypering op basis van afbeeldingen met hoge doorvoer voor het bepalen van morfologische en fysiologische reacties op enkelvoudige en gecombineerde spanningen in aardappel

Er wordt een methode gepresenteerd voor goedkope beeldvorming van planten om fenotypes te meten, samen met best practices voor het vastleggen van afbeeldingen en een pijplijn voor beeldanalyse voor het kwantificeren van planteigenschappen. Deze methoden werden toegepast om de fenotypes van maïs (Zea mays) te meten onder hitte, droogte en gecombineerde abiotische stressomstandigheden.

Beeldvorming en analyse voor het kwantificeren van maïs (Zea mays) abiotische stressfenotypes

Plantaardige biomassa biedt een hernieuwbare grondstof voor meerdere producten, waaronder brandstof, diervoeders, levensmiddelen en een verscheidenheid aan materialen. In deze paper onderzoeken we de eigenschappen van de boom tabak (Nicotiana glauca) en populier als geschikte bronnen voor een bioraffinage pijplijn.

Transcript en Metabolite Profiling voor de Evaluatie van de Boom en Poplar Tabak als grondstof voor de bio-gebaseerde industrie

Inzicht in de rol van milieu heterogeniteit in soorten coëxistentie is meestal gericht op het vormen van heterogeniteit die extrinsieke aan de samenstelling van de gemeenschap soorten zijn. Wij bieden nieuwe gedetailleerde methoden voor het creëren bodemheterogeniteit behandelingen met behulp van bodems onder plant-bodem feedback conditioning, of heterogeniteit inherent aan de gemeenschap samenstelling.

Experimenteel protocol voor het manipuleren van Plant-geïnduceerde bodemheterogeniteit

Een robuuste en flexibele aanpak om herbicideresistentie in onkruidpopulaties te bevestigen wordt gepresenteerd. Dit protocol maakt het mogelijk om de niveaus van herbicideresistentie te bepalen en toe te passen op een breed scala aan onkruidsoorten en herbiciden met kleine aanpassingen.

Protocollen voor Robuuste herbicideresistentie testen in verschillende Weed Species

Leer RGB- en hyperspectrale beeldvorming voor plantfenotypering en wortelarchitectuuronderzoek. Deze methode combineert worteldynamiek met fysiologische inzichten voor verbeterde veredelingsstrategieën.

RGB- en spectrale Root Imaging voor Plant fenotypering en fysiologisch onderzoek: experimentele opzet en Imaging protocollen

Meer video's verkennen