利用3D打印设备对不同温度下小麦根角和胚芽鞘长度进行高通量表型分析


发布时间:

2025-04-20

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在干旱气候下,作物立种创新对于小麦生产力至关重要。幼苗立种是作物生产力的第一阶段,在很大程度上依赖于根系和胚芽鞘系统结构来有效获取土壤水分和养分,特别是在深种植地区。能够快速确定胚芽鞘长度的根表型分析方法对于育种研究至关重要。传统上,由于缺乏合适的表型分析方法、遗传和表型复杂性以及采样重复性差,对根系和胚芽鞘性状的直接选择受到限制。在本研究中,创新了一种利用 3D 打印技术测量小麦幼苗根角度和胚芽鞘长度的方法。对不同温度下八种不同小麦基因型的幼苗进行了评估,并通过图像处理技术验证了研究结果。根结构的变异分析显示,不同基因型的根角度存在显著差异。温度处理也显著影响芽长、根数和总根长。 Tosunbey 基因型表现出最高的根角,而 Altindane 基因型表现出最低的根角。此外,温度升高会导致幼苗根长增加。同样,胚芽鞘结构分析表明,不同基因型在胚芽鞘长度、叶长、根数和总根长方面存在显著差异。温度处理和深播应用也显著影响了这些性状。Tosunbey 和 Müfitbey 基因型表现出最长的胚芽鞘长度,而 Nevzatbey 基因型表现出最短的胚芽鞘长度。选择窄根角和高种子根数可产生更深、更多分支的根系。此外,开发具有较长胚芽鞘的小麦基因型可以提高植物产量和早期活力,尤其是在深播的情况下。利用 3D 打印技术生产的设备,可以对小麦根系和胚芽鞘进行高通量表型分析,为不同温度条件下根系和胚芽鞘系统调节提供新的见解。该方法可以无缝集成到育种计划中,以提高抗旱能力,快速对根系和胚芽鞘特征进行表型分析。

 

图1  根角测量设备;A) 根角测量设备的打开视图,B) 根角测量设备的关闭视图和 C) 从不同角度看到的根角测量设备的打开和关闭图像。

 

图2  Bayraktar 基因型经过和未经图像处理的图像比较:A) 未经图像处理的图像,B) 经过图像处理的图像。

 

图3胚芽鞘长度测量设备;A) 测定胚芽鞘长度的设备内部视图,B) 测定胚芽鞘长度的设备必须有盖子。C) 从不同角度打开和关闭设备视图,以确定胚芽鞘长度。

 

图4  Müfitbey 基因型常规和新设计的仪器的比较;A) 常规计算,B) 使用新设备计算。

 

图5根系结构;使用 3D 打印机在高通量系统中对小麦幼苗的种子根性状进行表型分析:A)在盖好的培养皿中发芽 6 天后的 Altindane 基因型种子的照片,B、C)通过取下培养皿的盖子准备清洗根系,D)确定清洗过的根系的角度(50°)并通过图像处理进行分析以确认在培养皿上确定的根系角度,E)放置根培养皿的容器和 F)在生长室的容器中发芽的植物。

 

图6胚芽鞘结构:A) 通过除去 2 号板的盖子来识别胚芽鞘从土壤中露出的种子;B) 通过除去板的盖子来准备根部进行清洗;C) 将胚芽鞘板放入容器中并进行 Nevzatbey 基因型种子的发芽;D) 在生长室的容器中发芽的植物。

 

图7  A 不同基因型对小麦幼苗生长的影响:1)根角度、2)芽长度、3)根数和 4)总根长度。B 不同温度对小麦幼苗生长的影响:1)芽长度和 2)总根长度。C 小麦幼苗中基因型和温度相互作用对:1)根角度、2)芽长度和 3)根数的影响。

 

 图8  A 不同基因型对小麦幼苗生长的响应:1)胚芽鞘长度,2)叶长,3)根数,4)总根长。B 不同温度对小麦幼苗生长的响应:1)胚芽鞘长度,2)叶长,3)根数,4)总根长。C 不同深播条件对小麦幼苗生长的响应:1)胚芽鞘长度,2)叶长,3)总根长。D 基因型和温度相互作用对小麦幼苗生长的响应:1)胚芽鞘长度,2)叶长,3)根数,4)总根长。E 基因型和深播相互作用对小麦幼苗生长的响应:1)胚芽鞘长度,2)叶长,3)总根长。 F 小麦幼苗生长中温度和深播相互作用的响应:1)胚芽鞘长度,和 2)叶片长度。 G 小麦幼苗生长中基因型、温度和深播相互作用的响应:1)胚芽鞘长度,和 2)叶片长度。

 
来 源

Aydin, N., Sönmez, M.E., Güleç, T. et al. High-throughput phenotyping of wheat root angle and coleoptile length at different temperatures using 3D-printed equipment. BMC Plant Biology 25, 112 (2025). 

 

编辑

王春颖

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