基于根提拉力和X射線成像的玉米根系結(jié)構(gòu)表型研究

根系不僅是絕大多數(shù)陸生植物賴以生存的基礎(chǔ)，還是提高作物抗逆性、養(yǎng)分積累和產(chǎn)量的重要抓手之一。對(duì)玉米而言，整個(gè)主根、側(cè)根、冠根共同形成了一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，控制著植株汲水、覓養(yǎng)和抗倒伏的能力。盡管目前已有不少根系表型新方法，但在田間試驗(yàn)中，最常用的方法仍是提取測(cè)量根系上部（根冠），接著基于人工測(cè)量或二維成像技術(shù)進(jìn)行性狀量化，如PSTOL1、DRO1、土壤取芯、根提拉力測(cè)量等。然而，二維的表型技術(shù)受單一視角限制，無(wú)法達(dá)到足夠高的準(zhǔn)確度。

根提拉力測(cè)量法由于操作簡(jiǎn)便，常用于實(shí)地測(cè)量中，因而也具備大規(guī)模表型分析的潛力。根提拉力通常與根系生物量和分枝大小有關(guān)，但目前尚未有研究證實(shí)根提拉力與目前常用的根系結(jié)構(gòu)測(cè)量數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)。

近日，Plant Phenomics在線發(fā)表了題為Complementary Phenotyping of Maize Root System Architecture by Root Pulling Force and X-Ray Imaging的研究論文。

針對(duì)以上問(wèn)題，該文章使用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)，掃描生成高精度玉米根冠三維模型，并建立了能夠同時(shí)測(cè)量71個(gè)特征的處理方法（Figure 1）。該方法改進(jìn)了估測(cè)根系結(jié)構(gòu)遺傳貢獻(xiàn)的流程，且具有極高的精度，能夠全局檢測(cè)根系結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)發(fā)育的各種變化或者由環(huán)境變化而產(chǎn)生的根系分布的細(xì)微變化（Figure 2）。論文結(jié)果表明，根提拉力測(cè)量是一種高通量的根系形狀提取方法，可估計(jì)根系質(zhì)量，并且與該文方法中的多個(gè)三維特征顯著相關(guān)（Figure 3）。總而言之，該文提出的方法能夠用于校準(zhǔn)和解讀多種試驗(yàn)場(chǎng)景下的根提拉力測(cè)量值，并且能夠輔助對(duì)根系結(jié)構(gòu)的遺傳研究工作。

Figure1：Pipeline for 3D root imaging using X-ray computed tomography.

Figure2：RPF and 3D global root system architecture traits are affected by genotype, environment, and developmental time point.

Figure3：RPF and 3D root system architecture traits are strongly associated with each other and root mass (grams).

論文鏈接

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

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About Plant Phenomics

《植物表型組學(xué)》（Plant Phenomics）是由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）合作創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，于2019年1月正式上線發(fā)行，是Science合作出版的第二本期刊。采用開(kāi)放獲取形式，刊載植物表型組學(xué)交叉學(xué)科熱點(diǎn)領(lǐng)域具有突破性科研進(jìn)展的原創(chuàng)性研究論文、綜述、數(shù)據(jù)集和觀點(diǎn)。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術(shù)，基于圖像分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的表型組學(xué)新應(yīng)用，與植物表型相結(jié)合的分子生物學(xué)、植物生理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、作物模型和其他組學(xué)研究，表型組學(xué)相關(guān)的植物生物學(xué)等。期刊已被DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。

說(shuō)明：本文由《植物表型組學(xué)》編輯部負(fù)責(zé)組稿。

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編輯：張威（實(shí)習(xí)）

審核：卞越、孔敏