Summary
ويرد بروتوكولا تجريبية لتقييم التربة نمت نظم جذور النباتات مع RGB والتصوير الطيفي. مزيج من الوقت صورة RGB سلسلة مع معلومات تشيموميتريك من الطيفي بالأشعة يحسن ثاقبة ديناميات جذر النبات.
Abstract
من الضروري فهم أفضل لديناميات جذر النبات تحسين كفاءة استخدام الموارد للنظم الزراعية، وزيادة المقاومة لأصناف المحاصيل ضد الضغوط البيئية. ويرد بروتوكولا تجريبية RGB والتصوير الطيفي للنظم الجذرية. ويستخدم النهج رهيزوبوكسيس حيث تنمو النباتات في التربة الطبيعية على مدى فترة زمنية أطول لمراقبة نظم جذور نمواً كاملا. ومن الأمثلة على إعدادات تجريبي لتقييم النباتات رهيزوبوكس تحت ضغط المياه ودراسة دور الجذور. ويرد بإعداد الصور RGB للتحديد الكمي رخيصة وسريعة للتنمية الجذرية على مر الزمن. التصوير الطيفي يحسن تجزئة الجذر من التربة الخلفية مقارنة بمستوى العتبة على أساس لون RGB. قوة خاصة للتصوير الطيفي هو الحصول على تشيموميتريك من المعلومات عن نظام التربة الجذر لفهم الوظيفية. ويتجلى هذا مع تعيين محتوى المياه عالية الدقة. ومع ذلك التصوير الطيفي أكثر تعقيداً في الحصول على الصور، ومعالجة وتحليل مقارنة بالنهج RGB. يمكن تحسين مزيج من كلا أساليب تقييم شامل لنظام الجذر. وترد أمثلة التطبيق تكامل الجذر والصفات سطحي لسياق بحوث النبات الفسيولوجية فينوتيبينج والنباتات. يمكن الحصول على مزيد من التحسين لتصوير الجذر بتحسين جودة الصورة RGB مع إضاءة أفضل استخدام مصادر الضوء المختلفة، واستطراداً لأساليب تحليل صورة للاستدلال على خصائص منطقة الجذر من البيانات الطيفية.
Introduction
جذور توفير العديد من الوظائف الأساسية للنباتات مثل التخزين لتستوعب، مرسى للنباتات الأرضية في التربة، وامتصاص ونقل المياه والمواد الغذائية1. من وجهة نظر تطورية، يعتبر تشكيل محاور الجذرية شرط مسبق أساسي للأصل من النباتات البرية2. وعلى الرغم من هذا الدور الهام، تاريخيا احتلت جذور فقط موقعا هامشيا في الأبحاث البيولوجية. ومع ذلك، في الآونة الأخيرة، يتزايد الاهتمام العلمي في نظم جذور النباتات كما يتضح في الشكل 1.
الشكل 1: أهمية الدراسات الجذرية في علوم النبات.
عدد الجذر الدراسات ذات الصلة كنسبة مئوية من جميع الدراسات النباتية المنشورة في المجلات العلمية العقود الماضية. البحث عن النتيجة من المكبر باستخدام كلمات "المصنع" و "النبات الجذر". الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
ويمكن الافتراض سببين رئيسيين تكمن وراء أوجه التقدم الأخيرة في بحوث الجذر. يتعرض الغطاء النباتي الأرضي، والأول أكثر تواترا من الضغوط البيئية نتيجة للتغير العالمي3. في سياق إنتاج المحاصيل الزراعية ومن المقدر أن محدودة عالمياً حوالي 30% المساحة الزراعية بالمياه والفوسفور4،5. الحد من الإجهاد من غلة المحاصيل هي سبب الرئيسي للثغرات الغلة كبيرة أن يتم على الصعيد العالمي تقدر بأقل من 50% من الإنتاجية المحتملة ل النظم الإيكولوجية الزراعية البعلية6. بالإضافة إلى توافر الموارد منخفضة، يرتبط هذا أيضا إلى كفاءة استخدام الموارد الفقيرة، أي عدم كفاية قدرة محطة لاستغلال الموارد المتاحة7. هذا يؤدي إلى خسائر موارد المتنقلة مثل النترات التي يمكن أن تؤثر سلبا على النظم الإيكولوجية الأخرى. فعلى سبيل المثال يقدر كفاءة استخدام النتروجين العالمية الحالية 47%8. كفاءة عن طريق أساليب تحسين إدارة استخدام الموارد أفضل وأصناف لذلك من أهمية كبيرة لكل نمو النواتج الزراعية، وكذلك فيما يتعلق بالاستدامة البيئية. في هذا السياق النبات جذور تعتبر هدفا أساسيا لتحسين المحاصيل ونظم زراعة المحاصيل9،10.
خلفية هامة ثانية لمصلحة الأخيرة في جذور النباتات من التقدم التكنولوجي في طرق القياس. الأساليب الجذرية طويلة قد تم تقييدها من قبل اثنين من التحديات الرئيسية: القياس للجذور من النباتات التي تنمو في التربة التي ينبغي أن تكون معزولة للقياس الكمي، غالباً بواسطة الغسيل11، وبالتالي الإخلال بترتيب محاور الجذرية المعمارية. المراقبة جذر في الموقع باستخدام الحفر الأساليب، وبالتالي المحافظة على الموقع الطبيعي من الجذور في التربة، وقد استخدمت لوصف النباتية12. لا يزال وهي تستغرق وقتاً طويلاً جداً وهكذا لا تفي بمتطلبات الإنتاجية من التحليل المقارن الهيكلية الوظيفية جذر النظام. من ناحية أخرى أساليب الفائق لقياس الهيكل الجذر معظمها أجريت على وسائط مصطنعة وشتلات النباتات13 حيث يتم الاستقراء لبيئة النمو الطبيعي للنباتات مشكوك فيها14.
الطفرة الأخيرة من البحوث الجذرية محكم مرتبط بالتقدم في التصوير أساليب15. التصوير النهج في الدراسات الجذرية يمكن تقريبا تجميعها في ثلاثة أنواع. أولاً هناك طرق عالية الدقة 3D مثل الأشعة المقطعية والتصوير بالرنين المغناطيسي16. هذه الأساليب الأكثر ملاءمة لدراسة عمليات التفاعل لجذور النباتات مع التربة، مثل الجفاف الناجم عن الانسداد الخشب17. عادة ما يتم تطبيقها على عينات صغيرة نسبيا حيث أنها تسمح للملاحظات التفصيلية. وترد مقارنة بين الأشعة المقطعية والتصوير بالرنين المغناطيسي للأواني مختلفة الحجم والجذر خير تصوير في18. وثانيا، هناك أساليب التصوير الفائق19،20. هذه الأساليب معظمها على أساس المشترك 2D RGB تصوير الجذور تنمو على وسائط اصطناعية (هلام، ورقة الإنبات) حيث يسمح التباين العالي تشريح بسيط نسبيا بين جذور وخلفية. ومناسبة لمقارنة إنتاجية عالية بين الشتلات الجذر الصفات الوراثية محاصيل مختلفة تحت موحدة اصطناعية المتنامي الشروط13. ما بين هذين النهجين هي الأساليب رهيزوبوكس: أنها تستخدم التصوير 2D من جذور تنمو في التربة على مدى فترة زمنية أطول والإنتاجية المتوسطة21،22. تحديا الأخيرة إلى الجذر (2D) تصوير لالتقاط أيضا مؤشرات لوظائف الجذر بالإضافة إلى وصف لهيكل23.
في هذه الورقة نقدم البروتوكولات التجريبية للتصوير رهيزوبوكس نمت النظم الجذر باستخدام (ط) رخيصة وبسيطة مصنوعة خصيصا RGB تصوير وإعداد إعداد تصوير أكثر تعقيداً (ثانيا) قوائم الجرد الوطنية. مثال على النتائج التي تم الحصول عليها من هذه الأجهزة اثنين تظهر ومناقشتها في سياق phenotyping النبات وبحوث النبات الفسيولوجية.
Discussion
توفر البروتوكولات نهجين متكاملين للتربة نمت تصوير جذر النظام. يتم ملء خطوة حاسمة لموثوقية النتائج التجريبية رهيزوبوكسيس له لضمان طبقة الركيزة بل ومتجانسة في الزجاج الأمامي لتوفير الاتصال التربة جذر ضيقة في إطار المراقبة وتجنب الثغرات الجوية. وهذا هو السبب الرئيسي لاستخدام التربة ينخل جيد نسبيا من < 2 مم: ينتج أكبر المجاميع مورفولوجيا سطح أعلى في إطار المراقبة مع فراغات بين المجاميع. بالإضافة إلى ارتفاع خطر الإصابة بالجفاف تلميح الجذر، وهذا يتطلب أيضا تقنيات تجهيز الصورة أكثر تعقيداً ل رسم خرائط المياه31.
إدخال تعديلات على البروتوكول ولذلك يركز على ملء سريع وتحسين رهيزوبوكسيس. ملء الوقت حاليا حوالي 30 دقيقة لكل مربع. وعلاوة على ذلك يتم اختبار استخدام رهيزوبوكسيس مع اثنين من النوافذ الزجاجية للتصوير من كلا الجانبين وتعديلات لتحسين تجانس الإضاءة لأفضل صور RGB. تمديد الأجهزة قد تنظر أيضا في التكامل أوبتوديس مستو32 ، فضلا عن السعة التصوير33 في النظام رهيزوبوكس. ولكن هذا وراء الأنشطة الحالية للترقية.
تعديلات البرمجيات تركز على تسجيل الصور تلقائياً لالصمامات الأعلى وأسفل RBG الصور34. الطيفي النهج التصوير ميزة متقدمة دون إشراف استخراج28 فضلا عن أساليب الكشف المستهدف تحت إشراف أكثر حساسية مثل اختبار سفمس35 . وبالتالي من المحتمل أن يسمح البيانات الفائقة الطيفية لتقييم خصائص التربة ورهيزوسفيري وجذور متعددة36. وعلاوة على ذلك فإنه يهدف إلى تطوير (شبه) الخاص برامج للصور الجذر رهيزوبوكس استناداً إلى نسخة معدلة من "محلل نظام الجذر"37 لقياس الخصائص المورفولوجية (الطول، وقطر، والسطح) فضلا عن الصفات المعمارية (تردد التفريع، المتفرعة من زوايا).
القيد الرئيسي من البروتوكول بالمقارنة مع النهج التصوير ثلاثي الأبعاد هو تقييد إلى سطح الجذر مرئية وخصائص رهيزوسفيري. ومع ذلك قد ثبت أن سمات مرئية الجذر وكيل موثوق بها ل كل جذر النظام21. هو الجمع بين تقنية رهيزوبوكس بسهولة مع أخذ العينات المدمرة التقليدية (الغسيل) في نهاية النمو الديناميكي التصوير من أجل التحقق من صحة علاقة مرئية مقابل الصفات الإجمالية جذر النظام. كما قد تختلف هذه العلاقة بين الأنواع21، يوصي بأخذ العينات المدمرة لضمان استدلال موثوق بها من سمات مرئية لأي سلسلة phenotyping جديدة مع أنواع مختلفة من محاصيل.
أن الميزة الأساسية للبروتوكول المعروضة هنا هو المزيج من ظروف النمو واقعية (التربة)، عالية نسبيا الإنتاجية المحتملة لتصوير RGB والاستدلال على وظائف الجذر (مثل امتصاص الماء) عن طريق البيانات الجذر ورهيزوسفيري تشيموميتريك من التصوير الطيفي حلها وقتيا. وبالتالي يتغلب الأساليب الاستدلال القيود في الشتلات إنتاجية عالية والجذر غير التربة التصوير14من أساليب، في حين أنه يسمح جزئيا أفكاراً phenotyping العميق في العمليات الفنية مع تعقيد أقل تجريبية وإنتاجية أعلى مقارنة بأساليب متقدمة 3D15.
سيتم استخدام البروتوكول في التجارب القادمة لدراسة تأثير ميكورهيزا على جذر نظام التنمية والأداء الوظيفي من البقوليات، وكذلك فيما يتعلق بالخصائص الجذرية phenotyping الأنواع تغطية المحاصيل فيما يتعلق ببنية التربة والنيتروجين والكربون ركوب الدراجات.
Disclosures
الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.
Acknowledgments
الكتاب نعترف بتمويل من FWF العلوم النمساوية على الصندوق عن طريق "المشروع رقم ف" 25190-B16 (جذور مقاومة الجفاف). وأيد إنشاء البنية التحتية التصوير الطيفي ماليا "حكومة أقل النمسا الاتحادية" (Niederösterreich الأرض) عن طريق المشروع K3-و-282/001-2012. تمويل إضافي للتجربة بنجر السكر وردت من "البحوث اغرنا" & GmbH مركز الابتكار (يدرون). يشكر المؤلفون جاكسون كريغ للدعم التقني خلال التجربة وتصحيح اللغة الإنجليزية للمخطوطة. نعترف أيضا ماركوس فريودوفماير الذين أسهموا في إنشاء برنامج الإعداد التصوير RGB وجوزيف شودل للبناء لتركيب رهيزوبوكس.
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 |
References
- Kutschera, L. Wurzelatlas mitteleuropäischer Ackerunkräuter und Kulturpflanzen. , DLG-Verlags-GmbH, Frankfurt am Main. (1960).
- Kenrick, P., Strullu-Derrien, C. The origin and early evolution of roots. Plant Physiol. 166, 570-580 (2014).
- Franklin, J., Serra-Diaz, J. M., Syphard, A. D., Regan, H. M. Global change and terrestrial plant community dynamics. PNAS. 113, 3725-3734 (2016).
- MacDonald, G. K., Bennett, E. M., Potter, P. A., Ramankutty, N. Agronomic phosphorus imbalances across the world's croplands. PNAS. 108, 3086-3091 (2011).
- Vörösmarty, C. J., Green, P., Salisbury, J., Lammers, R. B. Global water resources: vulnerability from climate change and population growth. Science. 289, 284 (2000).
- Lobell, D. B., Cassman, K. G., Field, C. B. Crop yield gaps: their importance, magnitudes, and causes. Annu. Rev. Environ. Resour. 34, 179-204 (2009).
- Angus, J. F., Van Herwaarden, A. F. Increasing water use and water use efficiency in dryland wheat. Agron. J. 93, 290-298 (2001).
- Lassaletta, L., Billen, G., Grizzetti, B., Anglade, J., Garnier, J. 50 year trends in nitrogen use efficiency of world cropping systems: the relationship between yield and nitrogen input to cropland. Environ. Res. Lett. 9 (10), 105011 (2014).
- Lynch, J. P. Roots of the second green revolution. Aust. J Bot. 55, 493-512 (2007).
- Comas, L. H., Becker, S. R., Von Mark, V. C., Byrne, P. F., Dierig, D. A. Root traits contributing to plant productivity under drought. Front. Plant Sci. 4, 442 (2013).
- Metcalfe, D. B., et al. A method for extracting plant roots from soil which facilitates rapid sample processing without compromising measurement accuracy. New Phytol. 174, 697-703 (2007).
- Kutschera, L., Lichtenegger, E., Sobotik, M. Wurzelatlas der Kulturpflanzen gemäßigter Gebiete mit Arten des Feldgemüsebaues. , DLG-Verlag, Frankfurt am Main. (2009).
- Gioia, T., et al. 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. Funct. Plant Biol. 44, 76-93 (2017).
- Watt, M., et al. A rapid, controlled-environment seedling root screen for wheat correlates well with rooting depths at vegetative, but not reproductive, stages at two field sites. Ann. Bot. 112, 447-455 (2013).
- Fiorani, F., Schurr, U. Future scenarios for plant phenotyping. Annu. Rev Plant Biol. 64, 267-291 (2013).
- Metzner, R., et al. Direct comparison of MRI and X-ray CT technologies for 3D imaging of root systems in soil: potential and challenges for root trait quantification. Plant Methods. 11, 1 (2015).
- Choat, B., Badel, E., Burlett, R., Delzon, S., Cochard, H., Jansen, S. Non-invasive measurement of vulnerability to drought induced embolism by X-ray microtomography. Plant Physiol. 170, 273-282 (2015).
- Metzner, R., et al. Direct comparison of MRI and X-ray CT technologies for 3D imaging of root systems in soil: potential and challenges for root trait quantification. Plant Methods. 11, 1 (2015).
- Le Marié, C., Kirchgessner, N., Marschall, D., Walter, A., Hund, A. Rhizoslides: paper-based growth system for non-destructive, high throughput phenotyping of root development by means of image analysis. Plant Methods. 10, 1 (2014).
- Bengough, A. G., et al. Gel observation chamber for rapid screening of root traits in cereal seedlings. Plant Soil. 262, 63-70 (2004).
- Nagel, K. A., et al. GROWSCREEN-Rhizo is a novel phenotyping robot enabling simultaneous measurements of root and shoot growth for plants grown in soil-filled rhizotrons. Funct. Plant Biol. 39, 891-904 (2012).
- Price, A. H., et al. Upland rice grown in soil-filled chambers and exposed to contrasting water-deficit regimes: I. Root distribution, water use and plant water status. Field Crops Res. 76, 11-24 (2002).
- Vadez, V. Root hydraulics: the forgotten side of roots in drought adaptation. Field Crops Res. 165, 15-24 (2014).
- Dane, J. H., Hopmans, J. W. Pressure plate extractor. Methods of soil analysis. Part 4. Physical methods. Dane, J. H., Topp, G. C. , SSSA Inc. Madison, Wisconsin, USA. 688-690 (2002).
- Wösten, J. H. M., Pachepsky, Y. A., Rawls, W. J. Pedotransfer functions: bridging the gap between available basic soil data and missing soil hydraulic characteristics. J. Hydrol. 251, 123-150 (2001).
- Passioura, J. B. The perils of pot experiments. Funct. Plant Biol. 33, 1075-1079 (2006).
- Dorrepaal, R., Malegori, C., Gowen, A. Tutorial: Time series hyperspectral image analysis. J. Near Infrared Spec. 24, 89-107 (2016).
- Kim, D. M., et al. Highly sensitive image-derived indices of water-stressed plants using hyperspectral imaging in SWIR and histogram analysis. Scie rep. 5, (2015).
- Humplík, J. F., Lazár, D., Husičková, A., Spíchal, L. Automated phenotyping of plant shoots using imaging methods for analysis of plant stress responses-a review. Plant Methods. 11, 29 (2015).
- Lobell, D. B., Asner, G. P. Moisture effects on soil reflectance. Soil Sci. Soc. Am. J. 66, 722-727 (2002).
- Esquerre, C., Gowen, A. A., Burger, J., Downey, G., O'Donnell, C. P. Suppressing sample morphology effects in near infrared spectral imaging using chemometric data pre-treatments. Chemometr. Intell. Lab. 117, 129-137 (2012).
- Williams, P. N., et al. Localized flux maxima of arsenic, lead, and iron around root apices in flooded lowland rice. Environ Sci. Technol. 48, 8498-8506 (2014).
- Cseresnyés, I., Takács, T., Végh, K. R., Anton, A., Rajkai, K. Electrical impedance and capacitance method: a new approach for detection of functional aspects of arbuscular mycorrhizal colonization in maize. Eur. J Soil Biol. 54, 25-31 (2013).
- Brown, M., Lowe, D. G. Automatic panoramic image stitching using invariant features. Int. J. Comput. Vision. 74, 59-73 (2007).
- Jiang, Y., Li, C., Takeda, F. Nondestructive detection and quantification of blueberry bruising using near-infrared (NIR) hyperspectral reflectance imaging. Scientific Reports. 6, 35679 (2016).
- Chang, C. -W., Laird, D. A., Mausbach, M. J., Hurburgh, C. R. Near-infrared reflectance spectroscopy-principal components regression analyses of soil properties. Soil Sci. Soc. Am. J. 65, 480-490 (2001).
- Leitner, D., Felderer, B., Vontobel, P., Schnepf, A. Recovering root system traits using image analysis exemplified by two-dimensional neutron radiography images of lupine. Plant Physiol. 164 (1), 24-35 (2014).
