מדידת Stolons המלבלבים של Turfgrasses באמצעות מערכת ניתוח תמונה דיגיטלי
19 בפברואר 2019
מערכת ניתוח תמונה המבוססת על תוכנה מספק שיטה חלופית ללמוד המורפולוגיה של מינים stoloniferous rhizomatous. פרוטוקול זה מאפשר מדידה של קוטר של stolons ושל המלבלבים לאורכה, יכול להיות מיושם דגימות עם כמות גדולה של ביומסה, מגוון רחב של מינים.
שיטה זו יכולה לענות על שאלות מפתח בצמיחה ומורפולוגיה של stolons ו rhizomes של גידולים שונים כגון turfgrasses, כרי דשא, ומרעה. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא כי אורך stolon ו קנה הנשימה ניתן למדוד בדגימות עם כמות גדולה של ביומסה אשר משקל הוא הפרמטר היחיד המשמש כיום. לאסוף דגימות באמצעות סמפלר ליבת קרקע.
כלול את הביומסה הקרקעית לעיל שכבת אדמה עם עומק מתאים, בהתאם למינים כדי להבטיח אוסף של stolons והן קנה חיים. לחלופין, הגדר את שטח הפנים כדי לאסוף עם מסגרת ולאסוף את הדגימות עם עלה. סמן כל דגימה בקלטת מעבדה.
כדי לנקות את דגימות הביומסה, מניחים את הדגימה במסמר גדול עם פתחים של 0.5 עד 1.5 מילימטר, בהתאם לגודל הצואה או קנה החרוז. הפתחים צריכים להיות קטנים מספיק כדי לשמור על כל stolons ומרוזנים, אבל גדול מספיק כדי לאפשר את חלקיקי הקרקע להיות מוסרים. נקה את הדגימות עם זרם מים עם מספיק כוח כדי להסיר חלקיקי אדמה מבלי לפגוע בצמחים.
אחזר את הדגימות הנקיות והצב אותן במגש עם מגבות נייר, תוך כדי טיפול בתווית המגשים כראוי. עוד לנקות את הדגימות על ידי הסרת שורשים ועלים עם מספריים. במהלך תהליך זה, להפריד את stolons ו קנה חיים במידת הצורך ולתזמן מידע נוסף, כגון מספר הצמחים, טילרס, stolons לכל צמח.
מניחים את stolons ומרוזנים בשקיות נייר שכותרתו. מניחים את הדגימה על מגש פלסטיק שקוף של ציוד הסריקה הסטנדרטי של WinRHIZO. מניחים ידנית את הסטולון והמרוזנים באמצעות מדפים במעבדה כדי למזער את החפיפה.
ייתכן שיהיה צורך לפצל דגימות גדולות לדגימות משנה. מקם את המגש על משטח הסורק ולאחר מכן הפעל את הסורק והתחל להפעיל את התוכנית. לשליטה נוספת בתמונה שמורה, בדקו את dpi התמונה בתפריט Image באמצעות בחירה בפקודה 'פרמטר רכישת תמונה'.
לקבלת סיווג טוב של פיקסלים השייכים לאיברים הסרוקים, בדוק את הסף והניתוח על-ידי בחירה בפקודה הבחנה ברקע. ודא כי משטח המגש כולו י נסרק בתפריט תמונה על-ידי בחירה בפקודה פרמטר רכישת תמונה. כעת, בדוק את מחלקת הקוטר המוצגת לחלוקת איברים לקוטר באזור הגרפי שמעל התמונה הסרוקה.
בחר 20 מחלקות ברוחב שווה עם מרווחי זמן של 0.1 מילימטר על-ידי לחיצה על גישה אופקית של הגרף. פונקציה זו מאפשרת הדרה של נתונים השייכים לשורשים או לאיברים קטנים כאשר stolons או קנה שורשים לא נוקו בצורה מושלמת. הספרות מדווחת כי רוב השורשים של מיני דשא יש קוטר נמוך מ 0.2 מילימטרים.
הפעל את הסריקה לדוגמה הראשונה ובדוק שהעריכה מאפשרת ניתוח טוב. בצע את הוראות התוכנה לשמירת התמונה. לבסוף, לעבד את אפשרות הניתוח הבאים תוכנה תווית התמונה וניתוח עם התווית לדוגמה.
המשך בסריקה של כל הדגימות. כדי לבצע מדידה של משקל יבש, מניחים את הדגימות הסרוקות במגש אלומיניום מוכתם על איזון אלקטרוני מדויק ותקליטו את הטארה שלהם. חזור על שלב זה עבור כל הדוגמאות הסרוקות.
הכנס את כל הדגימות לתוך להגדיר לעתים קרובות 105 מעלות צלזיוס ולייבש אותם במשך 24 שעות. למחרת, להסיר את הדגימות ולחכות עד משקל הרקמה התייצב. לאחר מכן, לשקול את כל הדגימות עם tare שלהם.
הפחת את tare מהמשקל המוקלט כדי לקבל את המשקל נטו של כל מדגם. תוצאות לדוגמה מניסוי שדה המשווה את צפיפות אורך הסטולון והשיגרון של ארבעה זנים מסוג דשא ברמודגראס מוצגים. יש שונה משמעותית בצפיפות אורך stolon בין זנים צמחיים פטריוט Tifway, ואת זנים זרע לה פלומה יוקון בדגימות שנאספו ביולי 2014.
עבור המרוזנים, פטריוט מציג את צפיפות האורך הגבוהה ביותר, ואחריו Tifway, ואת זנים זרע. התפתחות צפיפות אורך stolon של cultivar פטריוט לאורך כל תקופת המחקר מראה עלייה ממרץ 2014 עד יולי 2014 וזה לא השתנה מיולי 2014 עד יולי 2015. מעטים המזריזים שנמצאו בדגימות שנאספו באוקטובר 2013 ובמרץ 2014.
צפיפות אורך קנה החרוז גדלה ביולי 2014 והגיעה לערכים הגבוהים ביותר. אבל זה יורד שוב באוקטובר 2014. בעת ניסיון הליך זה, חשוב לזכור לבחור דגימות מייצגות, לנקות בקפדנות stolons ומרוזנים לפני הניתוח, ולבחור את רוחב מחלקות קוטר באמצעות אפשרויות תוכנה לכלול רק stolons ומרוזנים בניתוח.
סקירה כללית
מאמר זה מציג מערכת לניתוח תמונות מבוססת תוכנה שנועדה לחקור את המורפולוגיה של מינים בעלי stolons וrhizomes. הפרוטוקול מאפשר מדידה של אורך וקוטר ה-stolon וה-rhizome, והוא ישים לדגימות בעלות מסה ביולוגית משמעותית.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מורפולוגיה של צמחים
- טכניקות לניתוח תמונות
- מדעי הגידולים
רקע
- הבנת הצמיחה והמורפולוגיה של סטולונים וריזומות היא קריטית עבור גידולים שונים.
- השיטות הנוכחיות מסתמכות בעיקר על מדידות משקל, דבר המגביל את הניתוח.
- מחקר זה מציג שיטה המשפרת את דיוק המדידה.
- היא מתמקדת במינים כגון דשאי משטחים, אדמות מרעה ומרבצים.
מטרת המחקר
- לספק שיטה חלופית למדידת המורפולוגיה של stolon ושל rhizome.
- להקל על ניתוח של דגימות בעלות מסה ביולוגית (biomass) גדולה.
- לשפר את ההבנה של דינמיקת הצמיחה של הצמח.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- איסוף דגימות באמצעות דוגמאי ליבה של קרקע או מסגרות דגימה.
- ניקוי הדגימות באמצעות נפות וזרמי מים.
- סריקה של הדגימות באמצעות ציוד סטנדרטי של WinRHIZO.
- מדידת משקל יבש לאחר ייבוש הדגימות בטמפרטורה של 105 °C.
תוצאות עיקריות
- הבדלים משמעותיים בצפיפות אורך הסטולונים בין זני Bermudagrass שונים.
- הזן Patriot הראה את צפיפות אורך הריזומה הגבוהה ביותר.
- צפיפות אורך הסטולונים עלתה במהלך תקופת המחקר עבור הזן Patriot.
- צפיפות הריזומות השתנתה ע εποך, עם שיאים בחודש יולי.
מסקנות
- השיטה מאפשרת מדידה מדויקת של stolons ושל rhizomes.
- היא משפרת את ההבנה של מורפולוגיית הצמח ביחס למסה הביולוגית (biomass).
- בחירה קפדנית וניקוי של הדגימות הם קריטיים לצורך ניתוח מדויק.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
אפיון מורפולוגי מדויק של מבני צמחים, כגון stolons ו-rhizomes, תומך בתיקוף יעדים במדעי החקלאות ובגילוי תוצרים טבעיים. ניתוח תמונות דיגיטלי מאפשר מדידה של תכונות מבניות בסביבת throughput גבוהה, ובכך משפר את הביטחון החזוי בתהליכי סינון פנוטיפיים. גישה זו מפחיתה את ההסתמכות על שיטות ידניות בעלות throughput נמוך, ובכך משפרת את היכולת להרחבה (scalability) של מחקרי מדגמים גדולים בשלבי הגילוי המוקדמים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של פנוטיפים של צמיחה הקשורים לייצור תרכובים ביו-אקטיביים במיני דשא ומספואים.
- ערך תפעולי: תומך בכימות מהיר של אורך וקוטר הש stolon והrhizome במערכי דגימות גדולים.
- ערך ניבוי: מקל על ביסוס קורלציה בין תכונות מורפולוגיות לנתיבים ביוכימיים לצורך זיהוי מובילים.
סריקה ופיתוח בדיקות
- ערך מדעי: מייצר נתונים כמותיים של אורך וקוטר המתאימים לסטנדרטיזציה של בדיקות ולשחזוריות.
- ערך תפעולי: מאפשר החרגה של חלקי צמח מיותרים באמצעות קביעת סף קוטר, ובכך משפר את ספציפיות המדידה.
- יכולת הרחבה: מאפשר עיבוד של דגימות רבות באמצעות ניתוח תמונה אוטומטי, מה שמעלה את תפוקת העבודה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- המשכיות תרגומית: מספק נתונים מערכתיים הרלוונטיים למחלות עבור עשבים המשמשים במערכות מספוא ומרעה.
- הפחתת סיכונים מכניסטית: מקשר בין התפתחות מבנית לדפוסי גדילה עונתיים, ובכך תומך במידול חזוי.
- סנכרון סממנים ביולוגיים: מאפשר מעקב אחר צפיפות הסטולונים והריזומה כאינדיקטורים פנוטיפיים פוטנציאליים.
שילוב בקו עיבוד ובזרימת עבודה
השיטה משתלבת בזרימות עבודה החל משלבי הגילוי המוקדמים ועד לשלבים הפרה-קליניים, על ידי אספקת פלטים מורפולוגיים כמותיים המהווים בסיס להערכת הביטחון במטרה ולניתוח מסלולים.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת היפותזות על דינמיקת גדילה והתפתחות מבנית במערכות מבוססות צמחים.
- סריקה: מספק מדידות כמותיות הניתנות לשחזור, המאפשרות השוואות מהימנות של תרכובות או תנאים.
- אנליטיקה: מפיק נתונים של אורך כולל, קוטר ממוצע ומשקל יבש, המקלים על ביצוע ניתוח רב-משתני.
- מחקר תרגומי: מקשר נתונים מורפולוגיים לווריאציות עונתיות ולהבדלים בין זנים לצורך מידול חיזוי.
- שימוש חוזר בארגון: קובע פרוטוקול דימוג סטנדרטי שניתן להחילו על מיני דשא וסוגי דגימות שונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החוזאי בקשרי תכונה-פנוטיפ באמצעות מורפומטריה מדויקת.
- ערך תפעולי: מפחית את עצימות העבודה ואת השגיאות האנושיות במדידות ידניות של אורך וקוטר.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות המבוססות על נתונים (go/no-go) בתוכניות מוקדמות למוצרי טבע.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים המבוסס על עקביות תכונות מבניות בין זנים שונים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בהכנת דגימות צמחים ובתפעול תוכנה לניתוח תמונות.
- תלוי בגישה לציוד סריקה כגון WinRHIZO ולסביבות תאורה מבוקרות.
- מחייב פרוטוקולי ניקוי סטנדרטיים להסרת שורשים ועלים שעלולים להטות את הניתוח.
- דורש אופטימיזציה של הגדרות מחלקות הקוטר כדי להחריג ארטיפקטים בעלי קוטר קטן.
- מוגבל לדגימות שניתן לפרוס ללא חפיפה על מגשים שקופים לצורך סריקה מדויקת.
