MultipleXLab:高通量便携式实时成像根系表型平台


发布时间:

2022-04-05

来源:

本站

作者:

PhenoTrait

  研究植物根系结构对于选择具有弹性、能够有效吸收水分和养分的作物至关重要。可用于研究根系生长动态的高性能成像工具具有最佳分辨率,但成本昂贵且不稳定。此外,进行非破坏性高通量表型分析来提取根系的结构和形态特征仍然具有挑战性。

 

  开发了MultipleXLab:一个模块化的、移动的、经济有效的系统来解决这些限制。该系统可以连续监测数千颗种子从萌发到根的发育,其基础是安装在电动多轴旋转舞台上的传统摄像机和集成发光二极管照明的定制3d打印板支架,如图1和图5。

 

  为了评价成像系统的质量,利用拟南芥和野生标本对不同植物的器官进行成像,如图2。为了评估该系统的光学性能,将其与价格类似的Stemi 508立体显微镜进行了比较,如图3。为了比较系统的光学分辨率和图像质量,对拟南芥花(45天)和番茄根(12天)进行了成像,并将其与Zeiss Stemi 508 8:1立体显微镜图像进行了比较,如图4。

 

  还开发了一个基于深度学习的图像分割模型,允许用户自动分析数据。MultipleXLab可以实现相对于相机的多个平板的自主微定位,并可以检测种子,跟踪其萌发,跟踪根的生长。系统自动将时间信息导出为图形化的发芽指示板,如图6。测试了MultipleXLab,以非侵入性高通量监测拟南芥种子萌发和根系生长发育、细胞周期和生长素转运突变体(图7-10),结果表明,该系统提供了可靠的数据,并可以精确评估突变体之间的萌发指数和每小时的生长速率。

 

  MultipleXLab提供了一个灵活和用户友好的根表型平台,是一个有吸引力的移动替代高端成像平台和固定生长室。它可以被植物生物学家、种子工业、作物科学家和育种公司广泛应用。

 

  图1 成像设置和自动多路复用实验室的组件。A. 相机本体;B. 相机附加镜头和可见带宽通滤波器,远动转换器,和闪光单元的透视图;C. B的前视图; D步进电机模块;E/F. 垂直/水平安装步进导轨,F级台阶水平安装;G. x-y微定位示例场景,与黑色天鹅绒背景连接到相机;H. 由步进导轨、摄像机和电源组件组成的组装成像装置;I. 提供柔和和漫反射连续照明的灯箱。单片成像装置的总重量在8公斤以下;J. MultipleXLab示例,以捕捉植物的宏观到微观尺度的图像。MultipleXLab重量小于25公斤。培养皿安装在3d打印的多板传送带上;K. 本研究中使用的植物数量N = 1152

 

  图2 成像植物器官。A.芙蓉花(N = 3);B.为A图中的柱头放大图,使用了61张堆叠图像;C. 木槿的花瓣(N = 5);D在C中放大花瓣,使用13张堆叠图像;拟南芥(Arabidopsis thaliana)成熟叶(E)和花芽放大(F)的20张叠加图像(N = 5);G. 在琼脂上生长的番茄根的根尖(N = 10):H. 手持5:1放大倍数的温室黄瓜幼果照片(注意,环形闪光反映了细胞结构,使其边界更明显)(箭头) (N = 20);I. 拟南芥叶片上瓢虫(异色瓢虫Harmonia axyridis)的图像,使用40张堆叠图像(N = 1)。N为本研究使用的植物数量。

 

  图3 成像性能。A. 1951年在立体显微镜台上的USAF分辨率目标(63 × 63 × 2 mm)。红色箭头突出显示用于光学基准测试的组元素;B和C分别描绘了正B和负C铬图案中的6组和7组。利用成像装置和立体显微镜,在6 - element 6阴性组评价分辨率目标获得的调制频率为114 lp/mm。D成像装置和F立体显微镜系统的对比度测试分别以最大本地5:1和4:1的放大倍数进行;E和G分别是D和F中的作物。6号元素的垂直和水平强度线探针分别在(E-v)和(E-h)中描述,在成像装置和Stemi 508中描述(G-v)和(G-h);H. 水平和垂直线对的强度梯度显示,与Stemi 508 (G-v)和(G-h)相比,成像设置(E-v)和(E-h)的对比度平均高出3倍(29.4%)。(G-v)和(G-h)的线探针强度绝对值较高,但对比度较低。由于在使用Stemi 508的亮场照明下存在强烈的色差,这种亮度衰减的控制具有挑战性;I. 两种成像系统的视场(field of view,FOV)比较,描述了成像装置在整个相应放大范围内更大的视场。

 

  图4 真实世界的基准测试的Stemi 508和成像设置。(A-B)利用立体显微镜和成像装置分别在4:1和5:1的放大倍数下拍摄的拟南芥花(A-B右下角);(A-B)是7 倍放大作物,从右下角的完整图像中突出细节。C和D的特写比较描述了分别使用立体显微镜和成像装置成像的柱头。D中的snap与B中的stack是相同的,但是只使用了12张图片,所以只有柱头在焦点上(N = 5)。我们将番茄根(延伸区直径320 μm)放置在装有琼脂的小亚克力板和黑色织物e的界面上,比较了这两种成像系统。H. 用体视显微镜将F的根尖放大10倍。同样,I. 使用成像装置(N = 3)对G镜头进行7倍×放大拍摄。J. 使用根轮廓测量法对从(K-i,对照/水合)放大的根尖进行表面三角测量。(K-i, ii和iii)数据集表示同一根上的一个完整的再水合循环(如图箭头所示),从水合状态(K-i)到脱水状态(K-ii),揭示了形状变形是由于细胞静水平衡受到干扰而发生的。根再水化(K-iii)后,根的原始形状部分恢复(N = 10)。N,分析的标本数。比例尺:A、B、C、D 0.1 mm, E 2.5 mm, F、G 0.25 mm, (H), I、J 0.05 mm, J、K 0.1 mm

 

  图5 高通量的根成像。A. MultipleXLab监测了18个培养皿,每个培养皿含有64颗拟南芥种子,持续4天;B. 在3天的监测结束后,拼贴图像展示每个板块的框架。非线性调整应用于Photoshop的自定义预设,以均匀每个图像的亮度垂直。规模:1厘米。每组分析1152粒种子

 

  图6 萌发仪表板。A. 基于SeedNet的野生型拟南芥种子检测;B. 在67小时,边界盒与相邻根的初始重叠;C. 从萌发到最后可存活时间点的单根长度图

 

  图7 根干细胞调节突变体。基于方差分析和Tukey检验的萌发率和生长率评分。野生型(WT)的生长速率最高,其次是scr和Rbi,shr的生长速率最低(mm/h)。每个根(数据点)的生长速率计算为整个生长周期拟合线的斜率。WT、scr、Rbi和shr的根数(N)分别为53、55、51和28(总N = 187)。在A中,y轴表示生长速率(mm/h), x轴表示不同的突变体。在B中,y轴表示根长(mm),x轴表示根生长的持续时间(小时)。C为整个生长周期的小时增长率,x轴表示每个突变体的生长时间点。彩色条表示分析的突变体。

 

  图8 根干细胞和模式突变体。基于方差分析和Tukey检验的萌发率和生长率评分。突变体jkd4、wox5和trycpc与野生型(WT)的平均生长速率(mm/h)没有统计学差异。WT、jkd4、wox5和trycpc各突变体的根数(N)分别为56、53、52和45 (N = 206)。在A中,y轴表示生长速率(mm/h), x轴表示不同的突变体。在B中,y轴表示根长(mm),x轴表示根生长的持续时间(小时)。C为整个生长周期的小时增长率,x轴表示每个突变体的生长时间点。彩色条表示分析的突变体。

 

  图9 细胞周期突变体。基于方差分析和Tukey检验的萌发率和生长率评分。其中cycd2;1的生长速率最高,e2fa-1和cdkb1;1cdkb1;2的生长速率最低。野生型(WT)、e2fa-1、cdkb1;1、cdkb1;2和cycd2;1。N是本研究中使用的植物数量。在A中,y轴表示生长速率(mm/h), x轴表示不同的突变体。在B中,y轴表示根长(mm),x轴表示根生长的持续时间(小时)。C为整个生长周期的小时增长率,x轴表示每个突变体的生长时间点。彩色条表示分析的突变体。在cycd2;1突变体中,根系之间的重叠最早开始于53h。利用该系统进行了3次生物重复试验

 

  图10 生长素运输突变体。基于方差分析和Tukey检验的萌发率和生长率评分。aux1的生长速率最高,lax3、pin2和pin2aux1的生长速率最低(mm/h)。野生型(WT)、aux1、lax3、pin2和pin2aux1的每组突变体的根数(N)分别为57、60、34、64和61 (N = 276)。在A中,y轴表示生长速率(mm/h), x轴表示不同的突变体。在B中,y轴表示根长(mm), x轴表示根生长的持续时间(小时)。C为整个生长周期的小时增长率,x轴表示每个突变体的生长时间点。彩色条表示分析的突变体。在aux1突变体中,根系之间的重叠最早开始于67小时。利用该系统进行了3次生物重复试验

  

  来源:Lube, V., Noyan, M.A., Przybysz, A. et al. MultipleXLab: A high-throughput portable live-imaging root phenotyping platform using deep learning and computer vision. Plant Methods 18, 38 (2022). https://doi.org/10.1186/s13007-022-00864-4

 

  编辑:王春颖

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