Plant Phenomics | 葡萄根架構(gòu)分析木本多年生植物研究新視角

根系結(jié)構(gòu)（RSA）在植物的適應(yīng)性和抗逆性中起著至關(guān)重要的作用。它直接影響植物在資源受限條件下的表現(xiàn)，尤其是在干旱等逆境條件下，根系的空間分布和動(dòng)態(tài)變化對(duì)于植物的水分和養(yǎng)分獲取至關(guān)重要。對(duì)于木本多年生植物，如葡萄等，在氣候變化的背景下，優(yōu)化根系結(jié)構(gòu)以提升其水分獲取能力，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵方向之一。然而，傳統(tǒng)的根系結(jié)構(gòu)分析方法存在一定的局限性，尤其是對(duì)于木本植物，在田間自然生長(zhǎng)環(huán)境下的根系分析較為困難。目前，大多數(shù)RSA研究依賴于根箱（rhizotron）或盆栽實(shí)驗(yàn)，這些方法往往不能真實(shí)反映田間生長(zhǎng)條件下的根系發(fā)展。因此，如何結(jié)合田間實(shí)驗(yàn)與高效的技術(shù)手段，進(jìn)行準(zhǔn)確的根系表征，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可用于建模和模擬的標(biāo)準(zhǔn)化格式，成為當(dāng)前RSA研究的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

2024年12月，Plant Phenomics 在線發(fā)表了德國(guó)Hochschule Geisenheim University題為A Field-to-Parameter Pipeline for Analyzing and Simulating Root System Architecture of Woody Perennials: Application to Grapevine Rootstocks 的研究論文。

該研究提出了一個(gè)用于分析多年生木本植物RSA的田間-參數(shù)方法，特別關(guān)注葡萄砧木基因型（圖1）。這種方法結(jié)合了野外開挖和原位三維（3D）數(shù)字化，能夠在保留自然根-土界面的同時(shí)對(duì)整個(gè)根系進(jìn)行全面分析。所提出方法的一個(gè)核心要素是將RSA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可互操作的格式，特別是使用根系標(biāo)記語(yǔ)言（RSML），這有助于無(wú)縫集成到根系建模平臺(tái)，在此背景下，利用全植物建�？蚣蹸Plant Box來解釋和模擬根系生長(zhǎng)的復(fù)雜動(dòng)態(tài)。該方法不僅有助于詳細(xì)的根系表型分析和根系生長(zhǎng)模型參數(shù)的估計(jì)，而且為未來以提高水分吸收效率為重點(diǎn)的理念奠定了基礎(chǔ)，而水分吸收效率是植物應(yīng)對(duì)氣候變化的關(guān)鍵因素。

研究表明，根瘤中的中央感染區(qū)（CIZ）是固氮細(xì)菌集中的區(qū)域，負(fù)責(zé)氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化，而維管束（VBs）則負(fù)責(zé)將水分、養(yǎng)分及固氮產(chǎn)物輸送到植物體內(nèi)。通過半自動(dòng)分割算法，研究團(tuán)隊(duì)生成了大豆根瘤內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維模型，并對(duì)這些結(jié)構(gòu)的體積進(jìn)行了精確的定量分析。

圖1 通過田間實(shí)驗(yàn)、根系挖掘和原位三維數(shù)字化對(duì)RSA數(shù)據(jù)獲取的過程進(jìn)行了示意圖表示，然后介紹了在CPlantBox中進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換步驟。該流程圖還描述了為測(cè)試技術(shù)準(zhǔn)確性、評(píng)估原位數(shù)字化的必要性和估計(jì)挖掘過程中潛在的細(xì)根損失而采取的方法學(xué)驗(yàn)證步驟。箭頭表示數(shù)據(jù)和分析的流程，強(qiáng)調(diào)RSA數(shù)據(jù)與表型和模擬輸出的集成。

圖2 基坑開挖后原狀土位置根系原位三維數(shù)字化技術(shù)裝置及數(shù)字化協(xié)議。（A）技術(shù)場(chǎng)設(shè)置，主單元連接筆記本電腦，電磁發(fā)射器位于土壤表面上方60cm處，詳細(xì)說明用指針記錄根系坐標(biāo)的配置。（B）數(shù)字化過程的放大視圖，展示了對(duì)數(shù)字化點(diǎn)的唯一ID的系統(tǒng)分配，包括在分支節(jié)點(diǎn)處的雙點(diǎn)，以保持根的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的完整性。

圖3 葡萄RSA模擬方法的示意圖表示。初始靜態(tài)根系來源于數(shù)字化的RSA數(shù)據(jù)，包括莖（類型0）和1年生不定根（類型1）。由模擬的RSA構(gòu)件組成的新生根系包括一級(jí)側(cè)枝（類型2）和二級(jí)側(cè)枝（類型3）。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于提出了一種集成的“從田間到參數(shù)”方法，結(jié)合了田間挖掘、原位三維數(shù)字化技術(shù)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，能夠精準(zhǔn)捕捉木本植物根系的空間結(jié)構(gòu)并保持其自然狀態(tài)。此外，研究改進(jìn)了CPlantBox建模框架，增加了靜態(tài)根系初始化和概率性向性函數(shù)，更好地模擬根系生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)。通過結(jié)合根系的水力特性分析，引入標(biāo)準(zhǔn)吸收分?jǐn)?shù)（SUF），為不同基因型根系的水分獲取能力提供了量化評(píng)價(jià)，推動(dòng)了植物根系適應(yīng)性研究與氣候變化應(yīng)對(duì)策略的發(fā)展。

論文鏈接：
‍https://doi.org/10.3413‍3/plantphenomic‍s.0280

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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)創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，于2019年1月正式上線發(fā)行。采用開放獲取形式，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。科睿唯安JCR2023影響因子為7.6，位于農(nóng)藝學(xué)一區(qū)（1/125名），植物科學(xué)一區(qū)（13/265名），遙感一區(qū)（6/62名）。2023年中科院期刊分區(qū)位于農(nóng)林科學(xué)大類一區(qū)。2020年入選中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊項(xiàng)目、2024年入選江蘇科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃領(lǐng)軍期刊項(xiàng)目、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃二期英文梯隊(duì)期刊。

說明：本文由《植物表型組學(xué)》編輯部負(fù)責(zé)組稿。
中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。
撰稿：黃金龍（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)）
排版：王平、趙紫馨（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)）
審核：尹歡、孔敏