根系拉力和X射线成像技术对玉米根系结构的互补表型分析

来源: 时间:2021-12-14 14:38:30 浏览次数:

作者的组合方法可用于在一系列实验环境中校准和解释根部拉力的测量结果,或者在根系体系结构的大型遗传研究中作为独立方法进行放大。

根系对于几乎所有陆地植物的生存都是至关重要的,并且是改善非生物胁迫耐受性,养分积累和作物品种产量的关键目标。尽管存在许多根表型分析方法,但在田间研究中,最流行的方法之一是提取和测量根系上部(称为根冠),然后基于手动测量或2D成像进行特征量化。但是,2D技术固有地受到从单个角度可获得的信息的限制。


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使用x射线计算机断层摄像技术进行三维根系成像的管道。采用根部拉力法从田间土壤中提取样品,并记录测量结果。根冠被清洗、干燥,然后使用北极星成像X5000进行成像,当样品沿垂直轴旋转360度时生成X射线图片。从X射线图片中,使用FDK算法生成一个三维重建模型。沿纵轴的切片被导出,用于自动阈值化,从中生成根冠的骨架和点云模型。然后从骨架和点云中测量三维根性状并进行分析。


在这里,我们使用X射线计算机断层摄影术生成了玉米根冠的高精度3D模型,并创建了能够测量每个样本中71个特征的计算流水线。这种方法可以改善对遗传对根系体系结构贡献的估计,并且经过完善,可以检测到整个根系统在开发过程中的各种变化,以及由于环境差异而导致根分布更细微的变化。


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RPF和三维整体根系结构性状受基因型、环境和发育时间点的影响。

(a)在SAM的2018年的实验中,在两个时间点(96周对16周)和每种环境(有限灌溉与完全灌溉)下,对Tx601基因型根冠的x射线成像图进行3D重建。(b)基因型、环境和时间点对RPF和3D根性状的影响(调整后的p<0.05)(SAM 2018);为了易读性,将G2F 2017和SAM 2018实验分别进行缩放,将不显著特征设置为-log10(p)值为0。

(c)G2F 2017实验中,在两种环境条件下差异显著的特征的箱线图(Mann-Whitney, U检验,p<0.05)。

(d)SAM2018实验中,在两个发育时间点和/或两种环境条件下存在显著差异的性状的箱形图(Mann-Whitney ,U检验,p<0.05)。


作者证明根牵引力是一种高通量的根提取方法,可提供根生物量的估计值,它与管道中的多个3D特性相关。因此,作者的组合方法可用于在一系列实验环境中校准和解释根部拉力的测量结果,或者在根系体系结构的大型遗传研究中作为独立方法进行放大。


来源:Plant Phenomics.Complementary Phenotyping of Maize Root System Architecture by Root Pulling Force and X-Ray Imaging.M. R. Shao ,N. Jiang ,M. Li ,A. Howard,K. Lehner,J. L. Mullen,S. L. Gunn , J. K. McKay and C. N. Topp

https://spj.sciencemag.org/journals/plantphenomics/2021/9859254/