قياس ستولونس وجذور من تورفجراسيس باستخدام نظام تحليل صور الرقمية
Summary
نظام تحليل صور المستندة إلى البرامج يوفر طريقة بديلة لدراسة مورفولوجية الأنواع ستولونيفيروس و rhizomatous. يسمح بقياس طول وقطر ستولونس وجذور هذا البروتوكول ويمكن تطبيقها على عينات مع كمية كبيرة من الكتلة الأحيائية وإلى مجموعة متنوعة واسعة من الأنواع.
Abstract
يتم قياس طول وقطر stolons أو جذور عادة استخدام المساطر بسيطة والفرجار. هذا الإجراء بطيئة وشاقة، حيث أنه كثيرا ما يستخدم في عدد محدود من ستولونس أو جذور. ولهذا السبب، تقتصر هذه الصفات في استخدامها لتوصيف الخصائص المورفولوجية للنباتات. استخدام تكنولوجيا البرمجيات تحليل الصورة الرقمية قد تجاوز أخطاء القياس بسبب الأخطاء البشرية، والتي تميل إلى زيادة عدد وحجم العينات أيضا زيادة. البروتوكول يمكن استخدامه لأي نوع من المحاصيل، بل هو مناسبة خاصة للأعلاف أو الأعشاب، التي تكون فيها النباتات الصغيرة والعديدة. عينات العشب تتألف من الكتلة الأحيائية فوق الأرض، وطبقة تربة علوية إلى العمق للتنمية الحد الأقصى جذمور، اعتماداً على هذه أنواع الفائدة. وفي الدراسات، تغسل عينات من التربة وجذور stolons/يتم تنظيفها باليد قبل التحليل ببرمجيات تحليل الصور الرقمية. كذلك هي تجفف العينات في مختبر لتدفئة فرن لقياس الوزن الجاف؛ ولذلك، يتم البيانات الناتجة لكل عينة، الطول الإجمالي وإجمالي وزن جاف ومتوسط القطر. يمكن تصحيح الصور الممسوحة ضوئياً قبل التحليل باستثناء أجزاء دخيلة مرئية، مثل بقية جذور أو أوراق لا تتم إزالة مع عملية التنظيف. وفي الواقع، عادة ما يكون هذه الشظايا أقطار أصغر بكثير من ستولونس أو جذور، حيث أنها يمكن بسهولة استبعاد من التحليل عن طريق تحديد القطر الأدنى أدناه والتي لا تعتبر الكائنات. رئد أو جذمور الكثافة في وحدة المساحة يمكن ثم يمكن احتساب استناداً إلى حجم العينة. وميزة هذا الأسلوب قياس طول وقطر متوسط إعداد عينة كبيرة من ستولونس أو جذور سريعة وفعالة.
Introduction
دراسة مورفولوجيا النبات هي موجهة إلى حد كبير في جميع التخصصات من علوم النباتات بما في ذلك الإيكولوجيا والهندسة الزراعية، وعلم الأحياء وعلم وظائف الأعضاء. هو درس نظام جذور النباتات على نطاق واسع لأهميته في التسامح الإجهاد واستقرار التربة ونمو النبات وإنتاجية. Stolons وجذور يتم دراسة أيضا على نطاق واسع لدورهم في استراتيجيات إكثار النبات وقدرة النقاهة، وتخزين الكربوهيدرات. ستولونس وجذور هي ينبع المعدلة التي تنمو أفقياً، أما فوق الأرض (ستولونس) أو تحت سطح الأرض (جذور). ستولونس وجذور تحتوي أيضا على العقد متباعدة بانتظام وإينتيرنوديس، فضلا عن العقد ميريستيماتيك التي قادرة على إعطاء الارتفاع لجذور جديدة ويطلق النار على1. وهناك عدد كبير من الدراسات حول مواضيع مختلفة التحقيق في جذور stolons وجذور من مختلف محطات2،3،4،5،،من67، 8. يتم دراسة النظم الجذرية، stolons، وجذور من تورفجراسيس بسبب أهميتها في حلبات جودة9، ربيع الأخضر حتى بعد فصل الشتاء السكون10، وارتداء التسامح والنقاهة قدرة11. وعلاوة على ذلك، تدرس هذه الأجهزة في محاصيل أخرى، تورفجراسيس مثل الأرز12,4من فول الصويا، و الذرة13، والمراعي حيث ينبع الجانبية دوراً رئيسيا في مكافحة تآكل التربة5.
كثافة طول الجذر (الجذر طول الواحدة وحجم التربة) ومتوسط القطر تقاس عادة باستخدام المسح البرمجيات3،،من45،9،،،من1415 17،،من 1618. على العكس من ذلك، طول وقطر stolons أو جذور تقاس عادة بمسطرة وقدمه ذات الورنيّة3،،من1920 وتتطلب قدرا كبيرا من الوقت والعمل21،22 , 23 , 24-ومن ثم فإنهم غالباً ما يقاس بعدد محدود من ستولونس أو جذور11،،من2025 وغالباً ما تكون محدودة لتوصيف الخصائص المورفولوجية محطات متباعدة فقط. وتشمل الدراسة الصفات رئد ورهيزومي في مظلة ناضجة أخذ العينات كمية كبيرة من الكتلة الحيوية حيث تكون عادة إلا رئد رهيزومي الوزن الجاف والكثافة (الوزن الجاف لكل وحدة سطح)11العزم7،، 26 , 27-رئد الكتلة الجافة، في الواقع، يمكن أن يقاس بسهولة أكبر من طول رئد والقطر بتجفيف العينات في فرن. ومع ذلك، هو طول رئد الأنواع الهامة وحرف علىالوفاء ليس جيدا تتصل بوزن جاف. أظهرت دراسة أجريت مؤخرا في زوان المعمرة الزاحفة (زوان معمر) أن العينات مع طول رئد عالية الكثافة لا تملك بالضرورة الوزن رئد عالية الكثافة6.
نظم تحليل الصور تجعل تحليل جذور أسرع28،29، أكثر دقة وأقل عرضه للأخطاء البشرية30،21 من الأساليب التقليدية واليدوية31،32، 33-وعلاوة على ذلك، توفر هذه النظم flexibility عالية وأدوات سهلة الاستخدام بما في ذلك الضوء، والبصرية الإعداد، والقرار، الذي غالباً ما يتم معايرة لكل34من الصورة الممسوحة ضوئياً. بورنارو et al. 24 أثبتت أن نظام وينرهيزو، نظام تحليل صورة مصممة خصيصا لقياس جذور غسلها، قد توفر طريقة بديلة لتحليل السمات رئد ورهيزومي أكثر تماما من الأساليب الحالية عن طريق التغلب على أخطاء القياس الناجمة عن الأخطاء البشرية. لوصف الخصائص المورفولوجية ومعلومات كمية عن النمو رئد وجذمور، يمكن استخدام نظم تحليل الصور لتحليل عدد كبير من العينات بسرعة، حتى مع كمية كبيرة من الكتلة الحيوية، مما يتيح زيادة الدقة الإحصائية. ولذلك، توفر حزم برمجيات تحليل الجذر أسلوب بديل، ومأمونة وسريعة لدراسة النمو ومورفولوجية stolons وجذور النباتات المختلفة الأنواع24.
نحن نقدم تجربة أجريت في شمال شرق إيطاليا لدراسة التنمية رئد ورهيزومي من أربعة أصناف من بيرموداجراس (سينودون spp.). الدراسة تهدف إلى زيادة المعرفة بشأن تنمية ستولونس وجذور في المصنف (“لابالوما” و “يوكون”) والأصناف (“باتريوت” و “تيفواي”) النباتي من بيرموداجراس. التجربة أنشئت في أيار/مايو عام 2013، وتم جمع عينات العشب أكثر من ثلاثة مواعيد أخذ العينات كل سنة، ابتداء من خريف عام 2013 إلى صيف عام 2015 [آذار/مارس (قبل يصل الأخضر) وتموز/يوليه (موسم النمو الكامل)، وتشرين الأول/أكتوبر (قبل فصل الشتاء السكون)]. لوصف وشرح لهذا الأسلوب، استخدمنا العينات التي تم جمعها في فصل صيف موسم النمو الثاني (تموز/يوليه عام 2014)، كما الكتلة الكبيرة من العينات في هذا الوقت تبرر الحاجة إلى إجراء تحليل سريع. وينرهيزو، تحليل صور رقمية برمجيات أداة مصممة خصيصا للقياسات الجذر غسلها، استخدمت لتحديد كثافة طول رئد ومتوسط القطر.
Protocol
Representative Results
Discussion
البروتوكول هو موضح هنا وتقييمها لدراسة تورفجراسيس. ومع ذلك، يمكن استخدامه أكثر من مجموعة من الأنواع ستولونيفيروس أو rhizomatous مع إجراء التعديلات اللازمة وفقا للخصائص المورفولوجية والظروف البيئية، وعينه التنظيف الدقة.
لا يمكن مقارنة متوسط القطر المقدر عن طريق هذا البروتوكول إلى القطر internode تقاس قدمه ذات الورنيّة. تحليل الصور الرقمية ويشمل العقد وإينتيرنوديس في حساب متوسط القطر، وهو النسبة بين سطح الإسقاط الإجمالي وإجمالي طولها. كما نوقش من قبل بورنارو et al. 24، متوسط قطرها الحصول على ستولونس بيرموداجراس مع وينرهيزو نظام المبالغة في تقدير متوسط قطرها القيم تقاس بقدمه ذات الورنيّة في internode. يستخدم عادة لوصف قطر internodes رئد رئد القطر ومعلمة شائعة المستخدمة لوصف النباتية18،25. ولهذا السبب، بورنارو et al. 24 : أشار إلى أن قطر متوسط يقدر من خلال نظام وينرهيزو والقطر يقاس يدوياً internode وصف جانبين مورفولوجية مختلفة.
الوقت المطلوب لتنفيذ هذا البروتوكول يظل عاملاً مقيداً للتحليل الروتيني. المرحلة الأكثر استهلاكاً للوقت هو تنظيف العينات (الخطوة 2، 4). استناداً إلى تجربتنا، تنظيف عينة واحدة من العشب مع كمية كبيرة من الكتلة الحيوية (أي 20 × 20 سم) ويتطلب حوالي ثلاثة أشخاص يعملون لمدة 2 إلى 4 ساعات. كما ورد في البروتوكول، عملية التنظيف اللازمة لكل نظام التحليل الرقمي وعند استخدام الفرجار والمسطرة. عندما عينة تتكون من عدد محدود من جذور stolons/، يشبه الوقت اللازم لجمع البيانات بالطريقتين. ومع ذلك، كما هو زيادة حجم العينة، الأسلوب القائم على البرامج ليس لديه وقت لاحق زيادة، كما هو العامل الوحيد الذي يحد المساحة السطحية للماسح الضوئي. على العكس من ذلك، زيادة الوقت اللازم لقياس الأجهزة مع المسطرة والفرجار مع العدد من ستولونس أو جذور تتكون العينة.
دراسة السمات رئد ورهيزومي في تورفجراسيس ناضجة دائماً تستند بقياس طول internode والقطر والكتلة الجافة الوزن7،11،،من2627. سبب كبير الوقت اللازم لتجهيز العينات وانخفاض الدقة مع زيادة حجم العينة، ينبغي أن تكون القياسات اليدوية يقتصر على عدد قليل من ستولونس أو جذور11،،من2025. على هذا النحو، قد فقط تكون مناسبة لتجارب معمل واحد. ميزة نظام تحليل الصورة عبر الطرق التقليدية هو أنه يمكن قياس طول رئد كبيرة أو جذمور العينات وحساب كثافة الطول والوزن النوعي (نسبة الوزن للطول).
يسمح هذا البروتوكول لقياس طول رئد وجذمور، وحساب كثافة طول في عينات مع الكتلة الحيوية الكبيرة (رئد أو جذمور الوزن يكون حاليا المعلمة الوحيدة المستخدمة لوصف مورفولوجيا). قد يكون طول رئد و/أو جذمور معياراً هاما في العديد من الدراسات التي لا يمكن تقدير مع التقنيات الحالية. وقد أثبتت الدراسات الأخيرة على حلبات مختلفة الأنواع6 أن كثافة الوزن والطول رئد هي لا يرتبط دائماً، مما يشير إلى أنه قد يكون من المستصوب لقياس متغيرات متعددة لتقييم النظام رئد ورهيزومي على نحو كاف. ينبغي أن تكون هذه الطريقة مناسبة للصنف أو الثقافية بوجه خاص الممارسات الإدارية المقارنة.
عدة خطوات داخل البروتوكول حاسمة لإجراء تقدير ناجح للطول والقطر متوسط ستولونس وجذور. بسبب تقلب عالية من شكلياء النبات تحت ظروف البيئة المختلفة، وعدد العينات (حجم العينة) ومساحة الأرض عينات الأبعاد التي ينبغي أن تكون (البعد عينة) ينبغي تقييمها بعناية وتكون أقرب ما يمكن من السكان بغية الحد من تقلب البيانات. وعلاوة على ذلك، تنظيف جذور ويترك من ستولونس قبل أن يتم تحليل العمل الدقيق التي تتطلب عناية خاصة لتجنب أوفيريستيميشنز. وأخيراً، قبل معالجة الصور، يستحسن أن تختار بعناية عرض قطرها فصول دراسية والحد الأدنى القطر باستخدام خيارات البرمجيات لاستبعاد كل شيء أنه ليس رئد أو رهيزومي من التحليل. كل التجربة يتطلب التحديد لقطرها الحد الأدنى، كما يختلف قطرها مع الأنواع والظروف البيئية، بما في ذلك الممارسات الثقافية.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
لا شيء.
Materials
| laboratory tape | Any | NA | Tags may be used to label samples |
| plastic bags | Any | NA | Any plastic bag can be used to keep samples until they have been cleened |
| paper bags | Any | NA | Any paper bag can be used to keep cleaned samples to avoid mold formation |
| paper towels | Any | NA | After samples have been washed with water and before to clean them with scissors it is helpful to put them on a paper towel to absorb water |
| scissor | Any | NA | Any scissor with fine tips |
| aluminium box | Any | NA | Any aluminium box large enough to contain the sample |
| trays | Any | NA | It is helpful to use plastic tray to hold samples during the cleaning process |
| sieve with 0.5-1.5 mm openings | Any | NA | Any sieve |
| soil core sampler | Any | NA | We use core sampler for soil collection with diameter of at least 8 cm |
| squared frame | Any | NA | To collect large samples we use squared frame (10 x 10 cm, or 15 x 15 cm, or 20 x 20 cm) |
| spade | Any | NA | We use spade to pull out samples delimited with squared frame |
| precision electronic balance | Any | NA | Any precision electronic balance |
| laboratory oven | Any | NA | Any laboratory oven |
| freezer | Any | NA | Any freezer |
| WinRHIZO software | Regent Instruments Inc., Quebec | NA | Excluded the "basic" version |
| WinRHIZO scanner | Regent Instruments Inc., Quebec | NA | WinRHIZO system includes a scanner calibrated for the software |
| WinRHIZO scanner accessories | Regent Instruments Inc., Quebec | NA | WinRHIZO system includes accessories, as plastic tray and positioner, to be used with the scanner |
References
- Beard, J. B. . Beard’s turfgrass encyclopedia for golf courses, grounds, lawns, sports fields. , (2004).
- Anderson, J. A., Taliaferro, C. M., Wu, Y. Q. Freeze tolerance of seed- and vegetatively propagated bermudagrasses compared with standard cultivars. Applied Turfgrass Science. , (2007).
- Gennaro, P., Piazzi, L. The indirect role of nutrients in enhancing the invasion of Caulerpa racemosa var cylindracea. Biological Invasions. 16 (8), 1709-1717 (2014).
- Ortiz-Ribbing, L. M., Eastburn, D. M. Evaluation of digital image acquisition methods for determining soybean root characteristics. Crop Management. , (2003).
- Pornaro, C., Schneider, M. K., Leinauer, B., Macolino, S. Above-and belowground patterns in a subalpine grassland-shrub mosaic. Plant Biosystems. 151 (3), 493-503 (2017).
- Pornaro, C., Menegon, A., Macolino, S. Stolon development in four turf-type perennial ryegrass cultivars. Agronomy Journal. , (2018).
- Rimi, F., Macolino, S., Richardson, M. D., Karcher, D. E., Leinauer, B. Influence of three nitrogen fertilization schedules on bermudagrass and seashore paspalum: II. Carbohydrates and crude protein in stolons. Crop Science. 53, 1168-1178 (2013).
- Schiavon, M., Macolino, S., Leinauer, B., Ziliotto, U. Seasonal changes in carbohydrate and protein content of seeded bermudagrasses and their effect on spring green-up. Journal of Agronomy and Crop Science. 202 (2), 151-160 (2016).
- Macolino, S., Ziliotto, U. Comparison of Turf Performance and Root Systems of Bermudagrass Cultivars and Companion Zoysiagrass. Acta Horticulturae. 938, 185-190 (2012).
- Giolo, M., Macolino, S., Barolo, E., Rimi, F. Stolons reserves and spring green-up of seeded bermudagrass cultivars in a transition zone environment. HortScience. 48 (6), 780-784 (2013).
- Lulli, F., et al. Physiological and morphological factors influencing wear resistance and recovery in C3 and C4 turfgrass species. Functional Plant Biology. 39, 214-221 (2012).
- Ramalingam, P., Kamoshita, A., Deshmukh, V., Yaginuma, S., Uga, Y. Association between root growth angle and root length density of a near-isogenic line of IR64 rice with DEEPER ROOTING 1 under different levels of soil compaction. Plant Production Science. 20 (2), 162-175 (2017).
- Qin, R., Noulas, C., Herrera, J. M. Morphology and Distribution of Wheat and Maize Roots as Affected by Tillage Systems and Soil Physical Parameters in Temperate Climates: An Overview. Archives of Agronomy and Soil Science. , 1-16 (2017).
- Barnes, B. D., Kopecký, D., Lukaszewski, A. J., Baird, J. H. Evaluation of turf-type interspecific hybrids of meadow fescue with perennial ryegrass for improved stress tolerance. Crop Science. 54, 355-365 (2014).
- Biernacki, M., Bruton, B. D. Quantitative response of Cucumis melo inoculated with root rot pathogens. Plant Disease. 85, 65-70 (2001).
- Bouma, T. J., Nielsen, K. L., Koutstaal, B. Sample preparation and scanning protocol for computersied analysis of root length and diameter. Plant and Soil. 218, 185-196 (2001).
- Kraft, J. M., Boge, W. Root characteristics of pea in relation to compaction and Fusarium root rot. Plant Disease. 85, 936-940 (2000).
- Rimi, F. . Performance of warm season turfgrasses as affected by various management practices in a transition zone environment. , (2012).
- Burgess, P., Huang, B. Growth and physiological responses of creeping bentgrass (Agrostis stolonifera) to elevated carbon dioxide concentrations. Horticulture Research. 1, 14021 (2014).
- Volterrani, M., et al. The Effect of Increasing Application Rates of Nine Plant Growth Regulators on the Turf and Stolon Characteristics of Pot-grown ‘Patriot’ Hybrid Bermudagrass. HortTechnology. 25 (3), 397-404 (2015).
- Böhm, W. Methods of studying root systems. Ecological studies: Analysis and synthesis. , 64-71 (1979).
- Box, J. E. Modern methods for root investigations. Plant Roots: The Hidden Half. , 193-237 (1996).
- Dowdy, R. H., Nater, E. A., Dolan, M. S. Quantification of the length and diameter of root segments with public domain software. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 26, 459-468 (1995).
- Pornaro, C., Macolino, S., Menegon, A., Richardson, M. WinRHIZO Technology for Measuring Morphological Traits of Bermudagrass Stolons. Agronomy Journal. 109 (6), 3007-3010 (2017).
- Taliaferro, C. M., Martin, D. L., Anderson, J. A., Anderson, M. P. Patriot turf bermudagrass. United States Plant Patent. , (2006).
- Munshaw, G. C., Williams, D. W., Cornelius, P. L. Management strategies during the establishment year enhance production and fitness of seeded bermudagrass stolons. Crop Science. 41, 1558-1564 (2001).
- Rimi, F., Macolino, S., Richardson, M. D., Karcher, D. E., Leinauer, B. Influence of three nitrogen fertilization schedules on bermudagrass and seashore paspalum: I. Spring green-up and fall color retention. Crop Science. 53, 1161-1167 (2013).
- Murphy, S. L., Smucker, A. J. M. Evaluation of video image analysis and line-intercept methods for measuring root systems of alfalfa and ryegrass. Agronomy Journal. 87, 865-868 (1995).
- Wright, S. R., Jennette, M. W., Coble, H. D., Rufty, T. W. Root morphology of young Glycine max, Senna obtusifolia, and Amaranthus palmeri. Weed Science. 47, 706-711 (1999).
- Nilsson, H. E. Remote sensing and image analysis in plant pathology. Annual Review of Phytopathology. 15, 489-527 (1995).
- Ottman, M. J., Timm, H. Measurement of viable plant roots with the image analyzing computer. Agronomy Journal. 76, 1018-1020 (1984).
- Newman, E. I. A method of estimating the total length of roots in a sample. Journal of Applied Ecology. 3, 139-145 (1966).
- Tennant, D. A test of a modified line intersect method of estimating root length. Journal of Ecology. 63, 995-1001 (1975).
- Arsenault, J. L., Pouleur, S., Messier, C., Guay, R. WinRHIZO™, a root-measuring system with a unique overlap correction method. HortScience. 30, 906 (1995).
