利用X-ray计算机断层扫描技术对田间作物根系进行无损的快速表型分析

作者:谷丰光电 来源: 时间:2017-06-16 15:13:54 浏览次数:

利用X射线计算机断层扫描技术对田间作物根系进行无损的快速表型分析,此项研究有助于克服分割瓶颈,并可被视为向高通量根表型研究迈进了新的一步,从而促进科学和育种所期望达到的适当样本量。

利用X射线计算机断层扫描技术对田间作物根系进行无损的快速表型分析,此项研究有助于克服分割瓶颈,并可被视为向高通量根表型研究迈进了新的一步,从而促进科学和育种所期望达到的适当样本量。此项研究成果发表于《Plant Methods》



X射线计算机断层扫描(CT)已经成为根系表型检测的有力工具。相比于传统的、破坏性的方法,CT包含了各种优点。在盆栽实验中,同样的个体根的生长和发展会随着时间的推移而变化,此外,可以研究与真实田地土壤基质相互作用的3D根系结构(RSA)的未改变的构型。要将CT更广泛地应用于基础研究或育种程序,吞吐量是极其必要的,但是它受到快速和标准化分割方法提取根结构瓶颈的困扰。使用可用的方法,根系分割在很大程度上可以通过手动完成,因为它需要大量的交互式参数优化和解释,因此需要大量时间。



基于市面上售卖的商业软件,此项实验研究提出了一种比现有分割方法更快,更标准和更通用的协议,特别是用于分析从原位收集的现场样品。就作者目前的研究,他坦言,这是第一个研究开发出的一种全面的分割方法,适用于在原位取样比较大的柱状区域,包含了生长在未受干扰的田地土壤中多个植物,不一定连接的根系样本。


图为分割协议的步骤

草-豆科混合物样品的原始X射线CT体积,显示出根,充气孔和土壤(a)。步骤一:土壤的高级表面测定。土壤团聚体周围的表面显示为蓝色线(b)。步骤二:扩大感兴趣区域(ROI),这里为1个体素,以添加混合体素。膨胀表面的轮廓显示为亮蓝色线(c)。步骤三:从包含整个体积的ROI中减去扩大的ROI。只有根和孔保留在所得体积(d)中。步骤四:检测根表面(如蓝线所示)(e)。步骤五:将包含根和剩余噪声(f)的体积导出到MatLab中并在其中过滤。将所得的仅含根的过滤体积显示在(g)中。直方图中显示的空气,混合体素,根和矿物的灰度值的峰值未完全分离(h)。


对来自若干进行原位取样的作物的根系,用所提出的方法测定的CT体积与洗涤过的根样品的根干重进行比较,发现高显着度(P<0.01)和强相关性(R^2=0.84),证明了提出的方法在田地研究中的价值。在分割之后,已经使用了用于测量根厚度分布的方法。根厚度是各种生理研究问题的核心RSA性状,例如在压实土壤中或在缺氧土壤条件下根的生长,但是由于缺乏可用的协议,就算在如今的高通量表型研究中也难以评估。


而结合此项研究提出的协议,运用指定的软件,将为作物表型分析领域中以后将要进行的大量研究带来显著的进展。


原文链接:https://plantmethods.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13007-015-0084-4

原文来源:Johannes Pfeifer, Norbert Kirchgessner, TinoColombiet al.Rapid phenotyping of crop root systems in undisturbed field soils using X-ray computed tomography [J]. Plant Methods(2015) 11:41.