Pomiar rozłogów i kłączy traw darniowych za pomocą cyfrowego systemu analizy obrazu
19 lutego 2019
Oparty na oprogramowaniu system analizy obrazów stanowi alternatywną metodę badania morfologii gatunków rozłogowych i kłączowych. Protokół ten umożliwia pomiar długości i średnicy rozłogów i kłączy i może być stosowany do próbek z dużą ilością biomasy i do wielu różnych gatunków.
Metoda ta może odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące wzrostu i morfologii rozłogów i kłączy różnych upraw, takich jak trawy darniowe, łąki i pastwiska. Główną zaletą tej techniki jest to, że długość rozłogów i kłączy można mierzyć w próbkach z dużą ilością biomasy, dla których waga jest jedynym obecnie stosowanym parametrem. Pobrać próbki za pomocą próbnika rdzenia glebowego.
Uwzględnij biomasę naziemną i warstwę gleby o odpowiedniej głębokości, w zależności od gatunku, aby zapewnić zbieranie zarówno rozłogów, jak i kłączy. Alternatywnie można zdefiniować powierzchnię do pobrania za pomocą ramy i zebrać próbki za pomocą łopaty. Oznacz każdą próbkę taśmą laboratoryjną.
Aby oczyścić próbki biomasy, umieść próbkę na dużym sicie z otworami o średnicy od 0,5 do 1,5 milimetra, w zależności od wielkości rozłogów lub kłączy. Otwory powinny być wystarczająco małe, aby zatrzymać wszystkie rozłogi i kłącza, ale wystarczająco duże, aby umożliwić usunięcie cząstek gleby. Oczyść próbki strumieniem wody o mocy wystarczającej do usunięcia cząstek gleby bez uszkadzania roślin.
Pobrać czyste próbki i umieścić je na tacy z ręcznikami papierowymi, zwracając uwagę na odpowiednie oznakowanie tacek. Następnie oczyść próbki, usuwając korzenie i liście nożyczkami. Podczas tego procesu oddziel rozłogi i kłącza, jeśli to konieczne, i zapisz dodatkowe informacje, takie jak liczba roślin, krzewów i rozłogów na roślinę.
Umieść rozłogi i kłącza w papierowych torbach z etykietami. Umieść próbkę na przezroczystej plastikowej tacy standardowego sprzętu skanującego WinRHIZO. Ręcznie umieść rozłogi i kłącza za pomocą kleszczy laboratoryjnych, aby zminimalizować nakładanie się.
Duże próbki mogą wymagać podzielenia na podpróbki. Umieść tacę na powierzchni skanera, a następnie włącz skaner i rozpocznij uruchamianie programu. Aby uzyskać dalszą kontrolę nad zapisanym obrazem, sprawdź rozdzielczość obrazu w menu Obraz, wybierając polecenie Parametr akwizycji obrazu.
Aby uzyskać dobrą klasyfikację pikseli należących do skanowanych narządów, sprawdź próg i analizę, wybierając polecenie Root Background Distinction. Sprawdź, czy cała powierzchnia zasobnika zostanie zeskanowana w menu Obraz, wybierając polecenie Parametr akwizycji obrazu. Teraz sprawdź klasę średnicy wyświetlaną dla rozkładu narządów na średnicę w obszarze graficznym nad zeskanowanym obrazem.
Wybierz 20 klas o równej szerokości z odstępami 0,1 milimetra, klikając poziomy dostęp do wykresu. Ta funkcja pozwala na wykluczenie danych należących do korzeni lub małych narządów, gdy rozłogi lub kłącza nie zostały idealnie oczyszczone. Literatura podaje, że większość korzeni gatunków darni ma średnicę mniejszą niż 0,2 milimetra.
Uruchom pierwsze skanowanie próbki i sprawdź, czy edycja pozwala na dobrą analizę. Postępuj zgodnie z instrukcjami oprogramowania, aby zapisać obraz. Na koniec przeprowadź analizę zgodnie z opcją oprogramowania i oznacz obraz i analizę etykietą próbki.
Kontynuuj skanowanie wszystkich próbek. W celu wykonania pomiaru suchej masy należy umieścić zeskanowane próbki w wytarowanej aluminiowej tacy na precyzyjnej wadze elektronicznej i zanotować ich tarę. Powtórz ten krok dla wszystkich zeskanowanych próbek.
Włóż wszystkie próbki do często ustawionego na 105 stopni Celsjusza i susz je przez 24 godziny. Następnego dnia usuń próbki i poczekaj, aż masa tkanki się ustabilizuje. Następnie zważyć wszystkie próbki wraz z ich tarą.
Odjąć tarę od zarejestrowanej masy, aby uzyskać masę netto każdej próbki. Przedstawiono przykładowe wyniki doświadczenia terenowego porównującego gęstość rozłogów i kłączy czterech odmian trawy bermudzkiej typu darniowego. W próbkach pobranych w lipcu 2014 r. występuje znaczna różnica w gęstości rozłogów między odmianami wegetatywnymi Patriot i Tifway a odmianami wysiewanymi La Paloma i Yukon
.W przypadku kłączy największą gęstość długości wykazuje Patriot, a następnie Tifway i odmiany z nasionami. Rozwój gęstości rozłogów odmiany Patriot w okresie badań wykazuje wzrost od marca 2014 r. do lipca 2014 r. i nie zmienił się od lipca 2014 r. do lipca 2015 r. W próbkach pobranych w październiku 2013 r. i marcu 2014 r. znaleziono niewiele kłączy.
Gęstość długości kłączy wzrasta w lipcu 2014 r., osiągając najwyższe wartości. Jednak w październiku 2014 r. ponownie spada. Podejmując tę procedurę, należy pamiętać o doborze reprezentatywnych próbek, skrupulatnym oczyszczeniu rozłogów i kłączy przed analizą oraz wybraniu szerokości klas średnic za pomocą opcji oprogramowania, aby uwzględnić w analizie tylko rozłogi i kłącza.
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia oparty na oprogramowaniu system analizy obrazu, zaprojektowany do badania morfologii gatunków rozłogowych i kłącza. Protokół umożliwia pomiar długości i średnicy rozłogów oraz kłączy, co jest możliwe do zastosowania w przypadku próbek o znacznej biomasie.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Morfologia roślin
- Techniki analizy obrazu
- Nauka o uprawach
Wstęp
- Zrozumienie wzrostu i morfologii rozłogów oraz kłączy jest kluczowe dla wielu gatunków roślin uprawnych.
- Obecne metody opierają się głównie na pomiarach masy, co ogranicza zakres analizy.
- Niniejsze badanie wprowadza metodę, która zwiększa dokładność pomiarów.
- Skupia się ona na gatunkach takich jak trawy zadarniające, łąkowe oraz pastwiskowe.
Cel badania
- Aby dostarczyć alternatywną metodę pomiaru morfologii rozłogów i kłączy.
- Aby ułatwić analizę próbek o dużej biomasie.
- Aby poprawić zrozumienie dynamiki wzrostu roślin.
Zastosowane metody
- Pobieranie próbek za pomocą próbników rdzeniowych lub ramek glebowych.
- Oczyszczanie próbek przy użyciu sit i strumieni wody.
- Skanowanie próbek za pomocą standardowego sprzętu WinRHIZO.
- Pomiar suchej masy po wysuszeniu próbek w temperaturze 105 °C.
Główne wyniki
- Istotne różnice w gęstości długości rozłogów pomiędzy różnymi odmianami trawy Bermudy.
- Odmiana Patriot wykazała najwyższą gęstość długości kłączy.
- Gęstość długości rozłogów wzrosła w okresie badania dla odmiany Patriot.
- Gęstość kłączy zmieniała się sezonowo, z szczytami w lipcu.
Wnioski
- Metoda ta umożliwia precyzyjny pomiar rozłogów i kłączy.
- Ułatwia ona zrozumienie morfologii roślin w odniesieniu do biomasy.
- Staranny dobór i oczyszczanie próbek są kluczowe dla dokładności analizy.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Dokładna charakterystyka morfologiczna struktur roślinnych, takich jak rozłogi i kłącza, wspiera walidację celów w naukach rolniczych oraz w procesie odkrywania produktów naturalnych. Cyfrowa analiza obrazu umożliwia wysokoprzepustowy pomiar cech strukturalnych, co zwiększa pewność predykcyjną w procesach przesiewania fenotypowego. Podejście to zmniejsza zależność od niskoprzepustowych metod manualnych, zwiększając skalowalność badań na dużych próbach w początkowych etapach odkryć.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia analizę fenotypów wzrostu powiązanych z produkcją związków bioaktywnych w trawach darńowych i gatunkach paszowych.
- Wartość operacyjna: Wspiera szybką kwantyfikację długości i średnicy rozłogów oraz kłączy w dużych zestawach próbek.
- Wartość prognostyczna: Ułatwia korelację cech morfologicznych ze szlakami biochemicznymi w celu identyfikacji głównych czynników.
Przesiewy i opracowanie analizy
- Wartość naukowa: Generuje ilościowe dane dotyczące długości i średnicy, odpowiednie do standaryzacji i powtarzalności testów.
- Wartość operacyjna: Umożliwia wykluczenie zbędnych części rośliny poprzez ustawienie progu średnicy, co zwiększa swoistość pomiarów.
- Skalowalność: Pozwala na przetwarzanie licznych próbek za pomocą zautomatyzowanej analizy obrazu, zwiększając przepustowość.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Dostarcza istotnych dla chorób danych systemowych dotyczących traw wykorzystywanych w systemach paszowych i pastwiskowych.
- Mechanistyczna redukcja ryzyka: Łączy rozwój strukturalny z sezonowymi wzorcami wzrostu, co wspiera modelowanie predykcyjne.
- Dostosowanie biomarkerów: Umożliwia monitorowanie gęstości rozłogów i kłączy jako potencjalnych wskaźników fenotypowych.
Integracja potoków i przepływów pracy
Metoda ta wpisuje się w przepływy pracy od wczesnego etapu odkrywania do badań przedklinicznych, dostarczając mierzalnych wyników morfologicznych, które pozwalają na ocenę pewności wyboru celu i analizę szlaków sygnałowych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących dynamiki wzrostu i rozwoju strukturalnego w systemach roślinnych.
- Screening: Zapewnia powtarzalne, ilościowe pomiary umożliwiające wiarygodne porównania związków lub warunków.
- Analityka: Dostarcza dane o całkowitej długości, średniej średnicy i masie suchej, co ułatwia analizę wielowymiarową.
- Badania translacyjne: Łączy dane morfologiczne z sezonową zmiennością i różnicami między odmianami na potrzeby modelowania predykcyjnego.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia zestandaryzowany protokół obrazowania, który można zastosować dla różnych gatunków traw i typów próbek.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwa
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w powiązaniach między cechą a fenotypem dzięki precyzyjnej morfometrii.
- Wartość operacyjna: Redukuje nakłady pracy oraz błędy ludzkie przy ręcznych pomiarach długości i średnicy.
- Wartość strategiczna: Umożliwia podejmowanie decyzji typu go/no-go w oparciu o dane we wczesnych etapach programów produktów naturalnych.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko, opartą na spójności cech strukturalnych w różnych odmianach.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w przygotowaniu próbek roślinnych oraz w obsłudze oprogramowania do analizy obrazu.
- Zależne od dostępu do sprzętu skanującego, takiego jak WinRHIZO, oraz kontrolowanych warunków oświetlenia.
- Wymaga ustandaryzowanych protokołów czyszczenia w celu usunięcia korzeni i liści, które mogłyby zakłócić analizę.
- Wymaga optymalizacji ustawień klas średnic w celu wyeliminowania artefaktów o niewielkiej średnicy.
- Ograniczone do próbek, które można rozłożyć bez nakładania się na przezroczyste tace w celu dokładnego skanowania.
