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经典文献|使用RhizoTube高通量成像植物的根发育和结构

经典文献|使用RhizoTube高通量成像植物的根发育和结构

  • 分类:植物表型资讯
  • 作者:PhenoTrait
  • 来源:本站
  • 发布时间:2022-01-14 06:10
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【概要描述】本文介绍了法国农科院国家植物表型平台开发的高通量植物根系表型微根窗测量系统,包括主机系统RhizoCab(图2)和用于培养植物的根筒RhizoTube(图1)。在RhizoTube中可同时培养1-6株植物,最高高度为1.1米,最长8周,取决于植物种类。在整个实验过程中,茎叶和根叶都可以自动成像,且不受破坏。

经典文献|使用RhizoTube高通量成像植物的根发育和结构

【概要描述】本文介绍了法国农科院国家植物表型平台开发的高通量植物根系表型微根窗测量系统,包括主机系统RhizoCab(图2)和用于培养植物的根筒RhizoTube(图1)。在RhizoTube中可同时培养1-6株植物,最高高度为1.1米,最长8周,取决于植物种类。在整个实验过程中,茎叶和根叶都可以自动成像,且不受破坏。

  • 分类:植物表型资讯
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  为了保持高产量,同时节约用水和保存不可再生资源,从而限制化肥的使用,选择根系更有效的植物是至关重要的。这可以通过优化根系构型和根系吸收能力以及/或通过改善植物与根际微生物的积极相互作用来实现。适合于根结构高通量表型的设备的开发仍然是一个主要的瓶颈。

 

  本文介绍了法国农科院国家植物表型平台开发的高通量植物根系表型微根窗测量系统,包括主机系统RhizoCab(图2)和用于培养植物的根筒RhizoTube(图1)。在RhizoTube中可同时培养1-6株植物,最高高度为1.1米,最长8周,取决于植物种类。在整个实验过程中,茎叶和根叶都可以自动成像,且不受破坏。

 

  图1 根筒(RhizoTube)(a)是由中空的管(一个外透明PMA管,一个内密封管),通过紧固螺钉紧密连接底部螺栓和上部的星状紧凑型件(b)。从根筒顶部(b)添加的营养溶液在根筒内部流向基质,填充在内管和膜之间,对营养物质、水和微生物有渗透性,但对植物的根没有渗透性。这种膜用生理惰性墨水染成蓝色,以避免任何对植物生长的干扰。种子被放置在根筒的顶部(c),植物的根生长在它的根繁殖区(c),定义为外部透明管和膜之间的空间。根筒安装在传送带上,每个根筒包含一个独特的RFID。

 

  图2 在传送带上既有根筒又有花盆的温室和RhizoCab的示意图图。RhizoCab有一个无刷电机转台,允许根筒在图像采集同步时转动。根管安装在传送带(a)上,在那里它们被自动移动到溶液站,施肥是通过重力控制的。操作员可以将根管导入RhizoCab (b)。操作员可以定义所需的所有参数(光波长、图像分辨率、文件名等)。

 

  并说明了如何确定不同物种的一些形态根系特征,包括在非限制条件下生长或受到各种非生物和生物的限制的模型(苜蓿)、作物(豌豆、甘蓝型油菜、葡萄、小麦)和杂草(鼠茅(Vulpia myuros))。以豌豆为例,有无土壤矿质氮培养的根筒中的结瘤根构型如图3,还与在花盆中使用限定生长条件获得的根系表型性状进行比较,如图4和5。

 

  图3 种植51天,RhizoCab拍摄的照片(600张)(a);用10meq土壤矿质氮培养18天的豌豆(Cameor genotype)( b); 没有土壤矿物氮培养18天的豌豆(Cameor genotype)( c)。无土壤矿质氮栽培18天de 豌豆(Kayanne genotype)(d)。可以看到真菌或容易检测到结节(e)的区域的细节,分辨率为3600(即像素等于7µm)

 

  图4 豌豆(Kayanne genotype)在10meq土壤氮的盆栽(开圈)或根筒盆栽(闭圈)中生长28天的根构型表型性状:侧根数(a);根(b);次根数(c);最长次根长度(d)。数据以平均值±SE表示(n = 4)。星号表示根筒或盆栽测得的性状之间存在显著差异(P < 0.05)

 

  图5 豌豆(Kayanne genotype)在盆栽(开圈)或根筒(闭合圈)条件下无土壤矿质氮生长28天的根上的根瘤分布(a)和侧根上的根瘤数量(b)。数据以平均值±SE表示(n = 4)。星号表示在根筒或盆栽中测量的性状之间存在显著差异(P < 0.05)

 

  对亲硝基性差的油菜籽和高亲硝基的杂草vulpia在根筒和盆栽条件下的生长对矿质氮的响应进行了研究,如图6。油菜对土壤氮素的响应显著高于杂草Vulpia,但不同容器类型间差异不显著。

 

  图6 高氮(a)、低氮(b)土壤条件下油菜的根系;高氮(c)、低氮(d)土壤条件下杂草Vulpia的根系。(a, b)为播种后29天的图像和(c, d)为播种51天后的图像。

 

  设备允许动态跟踪生长过程(根伸长,根瘤生物量的增加,根瘤波等)在一个给定的植物的整个生长周期跨度(图7给出了一个例子的根和根瘤生长动态),减少了不同时间内对不同植物样品的破坏性观察所导致的植物间异质性。它也减少了重复的数量和实验的总成本。

 

  图7 通过数字成像分析获得根和结节的生长动态。使用RhizoCab在分辨率为600 ppi下获取了没有土壤矿物氮培养的豌豆植株(kayanne)的图像。a、b和c分别显示了在309、464和597积温拍摄的结节状根茎图像(焦点在黄色方框中)。图像分割可以获得根和结节的像素数。然后使用校准曲线(数据未显示)将这些值换算成生物量(克)。因此,根瘤生物量(开圈)和根生物量(闭圈)可以在生长周期内动态估算(d)

 

  这个集成的系统,包括1200根筒,将允许在各种非生物和生物环境条件下高通量表型植物的芽和根。我们的系统可以很容易地对根系进行可视化或提取,并测量根系性状,用于高通量或动力学分析。该系统用于研究根系结构,将极大地促进作物对胁迫响应(包括与土壤微生物的相互作用)的关键根系性状的遗传和环境决定因素的识别。

 

  综上所述,在根筒植物中生长的植株在最优、干旱和不同氮营养条件下的花盆中所获得的产量大致相当。然而,盆栽或根筒生长不能完美地模拟田间条件,确实没有人工系统可以完美地模拟自然条件,根筒可以用于测试给定生长条件下的环境或基因变异。RhizoCab系统将为科学界提供最新的、非常创新的工具来获取高分辨率的植物根系特征。

 

  来源:Jeudy C, Ad Rian M, Baussard C, et al. RhizoTubes as a new tool for high throughput imaging of plant root development and architecture: test, comparison with pot grown plants and validation[J]. Plant Methods, 2016, 12(1).

 

  编辑:王春颖

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