RGB 및 식물 형질 및 생리 적 연구에 대 한 스펙트럼 루트 이미징: 실험적인 체제 및 프로토콜을 이미징

Summary

실험 프로토콜은 RGB와 hyperspectral 화상 식물 루트 시스템을 성장 하는 토양의 평가 대 한 제공 됩니다. RGB 이미지 시간 시리즈 hyperspectral에서 chemometric 정보 검색의 조합 공장 루트 역학에 대 한 통찰력을 최적화 합니다.

Abstract

식물 루트 역학의 더 나은 이해 농업 시스템의 리소스 사용 효율을 개선 하 고 작물 재배 환경 스트레스에 대 한 저항 증가 필수적 이다. 실험 프로토콜은 RGB 및 루트 시스템의 hyperspectral 화상 진 찰에 대 한 제공 됩니다. 접근은 식물 자연 토양에서 완전 개발된 루트 시스템을 관찰 하는 더 긴 시간을 통해 성장 rhizoboxes를 사용 합니다. 실험 설정 됩니다 rhizobox 식물 물 스트레스를 평가 하 고 뿌리의 역할을 공부 하 고 궁 행. RGB 이미지 설치 시간이 지남에 루트 개발의 저렴 하 고 빠른 정량화에 대 한 설명 합니다. Hyperspectral 영상 RGB 색상 기반 임계 처리에 비해 토양 배경에서 루트 분할을 향상 시킵니다. Hyperspectral 화상의 특정 힘은 기능 이해에 대 한 루트 토양 시스템에 chemometric 정보 수집 이다. 이 고해상도 물 콘텐츠 매핑 보여 줍니다. 그러나 스펙트럼 이미징은 이미지 수집, 처리 및 분석 RGB 방식에 비해 더 복잡 합니다. 두 방법의 조합에는 루트 시스템의 포괄적인 평가 최적화할 수 있습니다. 루트 및 지상 특성을 통합 하는 응용 프로그램 예제는 식물 형질 및 식물 생리 연구의 맥락에 대 한 제공 됩니다. 루트 영상의 추가 개선 및 확장 스펙트럼 데이터에서 루트 영역 속성에 유추 이미지 분석 방법의 다른 광원을 사용 하 여 더 나은 조명 RGB 이미지 품질을 최적화 하 여 얻을 수 있습니다.

Introduction

뿌리의 저장 등의 식물에 대 한 몇 가지 필수 기능을 제공 동화 한다, 토양, 및 통풍 관 지구 식물의 앵커리지와 물과 영양소¹의 전송. 진화 관점에서의 루트 축 형성 땅 식물²의 기원에 대 한 기본 전제 조건으로 간주 됩니다. 이 중요 한 역할에도 불구 하 고 역사적으로 뿌리 생물학 연구에만 한계 위치를 점령 했습니다. 그러나 더 최근에,, 거기는 증가 그림1에서 입증 공장 루트 시스템에 과학적인 관심사.

그림 1: 루트 식물 과학에 있는 연구의 관련성.
루트의 수는 지난 년간 SCI 저널에 모든 게시 된 식물 연구의 연구를 관련. Scopus 키워드 "공장" 및 "공장 및 루트"를 사용 하 여에서 결과 검색 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

두 가지 주요 이유는 루트 연구의 최근 발전 기초를 가설 수 있습니다. 첫째, 지상파 식물 글로벌 변경³결과로 더 자주 환경 스트레스에 노출 됩니다. 농업 작물 생산의 맥락에서 그것은 세계적으로 약 30%의 농업 지역 물과 인^4,5에 의해 제한 됩니다 추정. 수확량의 스트레스 감소는 세계적으로 낮은 50 %rainfed 농업 생태계⁶에 대 한 잠재적인 생산성의 추정 되어 상당한 수익률 격차에 대 한 주요 이유. 낮은 리소스 가용성, 외이 가난한 리소스 사용 효율, 즉 부족 한 수 식물의 사용 가능한 리소스⁷악용 관련이 있습니다. 이 다른 생태계에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 질산염 등 모바일 자원의 손실에 결과. 예를 들어 현재 글로벌 질소 이용 효율 47⁸추정 됩니다. 더 나은 자원 사용 효율성 향상 된 관리 방법 및 재배 이므로 모두 높은 중요성의 성장 환경 지속 가능성 뿐만 아니라 농업 출력의 지속. 이 컨텍스트 식물에서 뿌리 향상 된 작물 및 자르기 시스템^9,10에 대 한 주요 대상으로 간주 됩니다.

식물 뿌리에 최근 관심사에 대 한 두 번째 중요 한 배경 측정 방법에 기술적 진보 이다. 루트 방법을 두 가지 주요 과제에 의해 제한 오래 있다: 그들은 주로¹¹, 세척 하 여 정량화에 대 한 격리 해야 했다 토양에서 성장 하는 식물에서 뿌리의 측정에 대 한 그로 인하여 방해 루트 축의 건축 배열. 발굴을 사용 하 여 제자리에 루트 관찰 함으로써 토양에서 뿌리의 자연 스러운 위치를 보존 하는 방법 식물 설명¹²사용 되 고 있다. 아직도 그들은 매우 시간이 걸리는 고 따라서 비교 구조 기능 루트 시스템 분석의 처리량 요구 사항을 충족 하지 않습니다. 다른 한편으로 높은 처리량 방법 루트 건축 측정 했다 주로 수행 인공 미디어에 묘 종 식물¹³ 식물의 자연 성장과 환경 추정 의심¹⁴가.

루트 연구의 최근 붐 이미징 방법¹⁵에 사전에 긴밀 하 게 연결 된다. 접근 루트 연구에서를 이미징 세 가지 유형으로 대략 그룹화 될 수 있습니다. 우선 CT 및 MRI¹⁶같은 고해상도 3D 방법이 있다. 이러한 메서드는 가뭄 유도 xylem 폐색전증¹⁷와 같은 흙과 식물 뿌리의 상호 작용 과정 연구에 가장 적합 한. 일반적으로 그들은 그들은 상세한 관측을 허용 하는 비교적 작은 샘플에 적용 됩니다. 다른 크기의 냄비와 잘 루트 이미징에 대 한 CT와 MRI의 비교는¹⁸에 제공 됩니다. 둘째, 높은 처리량 이미징 방법^19,20있다. 이러한 메서드는 대부분에 따라 일반적인 2D RGB 영상 인공 미디어 (젤, 발 아 종이)에 성장 하는 뿌리의 고대비 뿌리와 배경 사이의 비교적 간단한 해 부를 허용 하는 곳. 그들은 다른 작물 genotypes 표준화 된 인공 성장 조건¹³에서 종묘 루트 특성 중 높은 처리량 비교를 위해 적합 하다. Rhizobox 메서드는이 두 가지 방법 사이: 그들은 더 긴 기간 동안 토양에 성장 하는 뿌리의 2D 이미지를 사용 하 고 중간 처리량^21,22. (2D) 루트 이미징에 대 한 최근 도전 캡처 또한 구조²³의 설명 외에도 루트 기능 지표입니다.

현재 신문에서 우리는 rhizobox 성장 (i)는 저렴 하 고 간단한 주문 품 RGB 이미징 설치 및 (ii)는 더 복잡 한 적외선 이미징 설치 프로그램을 사용 하 여 루트 시스템 이미징을 위한 실험 프로토콜 제시. 이러한 두 설정에서 예제 결과 표시 되며 식물 형질 및 식물 생리 연구의 맥락에서 논의.

Discussion

프로토콜 루트 시스템 이미징 성장 하는 토양에 대 한 두 개의 상호 보완적인 접근을 제공 합니다. 신뢰할 수 있는 실험 결과 대 한 중요 한 단계는 관측 창에 꽉 루트-토양 접촉을 제공 하 고 공기 간격을 방지 하는 전면 유리에도 동종 기판 레이어를 보장 하는 rhizoboxes의 작성 이다. 이것의 비교적 좋은 체질된 흙을 사용 하는 주요 이유는 < 2: 골 재 사이의 공 극으로 관찰 창에서 더 높은 표면 형태에 더 큰 집계 결과. 루트 팁 탈수의 위험이 높은, 외이 물 매핑³¹에 대 한 더 복잡 한 이미지 처리 기법을 필요합니다.

프로토콜의 수정 따라서 rhizoboxes의 향상 및 빠른 작성에 초점을. 현재 시간을 작성 하는 것은 상자 당 약 30 분입니다. 또한 측 및 더 나은 RGB 이미지에 대 한 조명 동질성을 최적화 하기 위해 수정에서 영상에 대 한 두 개의 유리창와 rhizoboxes의 사용은 테스트. 추가 하드웨어 확장 또한 평면 optodes³² rhizobox 시스템으로³³ 이미징 커패시턴스의 통합을 좋습니다. 그러나 이것이 현재 업그레이드 활동 넘어입니다.

소프트웨어 수정 퓨즈 상단 및 하단 RBG 이미지³⁴자동 이미지 등록에 초점. Hyperspectral에 대 한 이미징 고급 자동된 기능 추출 SVMs³⁵ 테스트와 같은 더 민감한 감독된 대상 탐지 방법으로²⁸ 접근 한다. 그로 인하여 hyperspectral 데이터는 잠재적으로 여러 토양, rhizosphere 및 루트 속성³⁶의 평가 대 한 허용. 개발 (세미)는 것 또한 건축 특성 (분기 주파수, 각 분기) 뿐만 아니라 rhizobox 루트에 따라 이미지 루트 시스템 분석기³⁷ 형태학 계량의 수정된 된 버전 (길이, 직경, 표면)에 대 한 소프트웨어 automatized.

3D 이미징 접근에 비해 프로토콜의 주요 제한은 표면 표시 루트 및 rhizosphere 속성 제한입니다. 그러나 그것은 보이는 루트 특성 전체 루트 시스템²¹에 대 한 신뢰할 수 있는 프록시는 증명 되었습니다. Rhizobox 기술은 전통적인 파괴적인 샘플링 (세척) 동적 성장 전체 루트 시스템 특성 대 표시의 관계를 확인 하려면 이미징의 끝에와 쉽게 결합 된다. 이 관계는 종²¹중 다 수, 파괴적인 샘플링 다른 작물 종으로 어떤 새로운 형질 시리즈에 대 한 표시 특성에서 신뢰할 수 있는 유추 되도록 것이 좋습니다.

여기에 제시 된 프로토콜의 주요 장점은 현실적인 성장 조건 (토양), 일시적으로 해결 RGB 이미지와 루트 기능 (예: 물 통풍 관) hyperspectral 화상 진 찰에서 chemometric 및 rhizosphere 데이터를 통해 유추에 대 한 상대적으로 높은 잠재적인 처리량의 조합입니다. 그로 인하여 방법 유추 제한 높은 처리량 경종 및 비-토양 루트 방법¹⁴, 그것은 부분적으로 덜 실험적인 복잡성과 고급 3D 방법¹⁵에 비해 높은 처리량으로 업무 프로세스에 대 한 깊은 형질 통찰력을 허용 하는 동안 이미지를 극복 한다.

곧 실험 프로토콜 mycorrhiza 루트 시스템 개발 및 토양 구조, 질소 및 탄소 관련 된 덮개 작물 종의 형질 루트 특성에 관해서는 뿐만 아니라 콩의 기능에의 효과 연구 하는 데 사용 됩니다 사이클링.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Rhizobox	Technisches Büro für Bodenkultur	Experimental builder
LED Lamps ATUM HORTI 600	Klutronic	AHI10600F
Fluorescent light tube HiLite T5 Day	Juwel Aquarium	86324
UV light tube Eurolite 45cm slim 15 W	Conrad	593384 - 62
Canon EOS 6D	Canon Austria GmbH	8035B024
Adobe Photoshop CS5 Extended Version 12.0 x 32	Adobe Systems Software Ireland Ltd.
WinRhizo Pro v. 2013	Regent Instruments Inc.
Xeva-1.7-320 SWIR camera	Xenics	XEN-000105
Spectrograph Imspector N25E	Specim
Hyperspectral imaging scanner	Carinthian Tech Research AG	Experimental builder	Design and assemblage of Hyperspectral Imaging Scanner and software
Matlab R2106a	Mathworks		Including Toolboxes for Image Processing, Signal Processing and Statistics and Machine Learning
AP4 Poromoeter	Delta-T-Devices
LI-3100C Area Meter	LI-COR
BASF Styradur polystyrene sheets	Obi Baumarkt	9706318	Different types of polystyrene sheets or other material separating differently moistured soil can be used