由于根器官的复杂性和不可接近性，根表型特别具有挑战性。根生长方向是根系最重要的结构特征之一，其特征通常是通过多种方法来解决的，这些方法通常基于总体测量，难以与植物特定的生理方面及其遗传特征相关联。因此，本研究提出了一种基于Straumit方法的三维图像分析方法，以获得根角的局部映射。将该方法应用于国际空间站(ISS)上真实失重条件下生长的胡萝卜幼苗根和地球模拟失重条件下的胡萝卜根。并在地球1g静态条件下进行了参考实验。利用X射线显微CT对胚根进行成像，定义了两个新的根系生长方向特征：“根与播种平面的角度”(root angle to sowing plane，RASP)和“根生长方向变化”(root orientation changes，ROC)，为每个分析的胚根提供了准确的角度分布。RASP分布参数和ROC值在体外和体外生长的胚根取向上没有显著差异。在模拟失重和真实失重状态下，只发现根角有轻微的增厚。这样的结果表明，一个简单的单轴回转器可以是一个负担得起的模拟实验研究计算失重根的生长。所提出的局部生长方向定位方法也可以推广到不同的根系，为复杂和重要的植物结构(如根)的表型分析提供了一项具有挑战性的任务。
图1 实验中使用的硬件设备。a 四颗胡萝卜种子放置在OASIS®基板上。b 放置在3d打印基板支架上的OASIS®基板磁盘。c YING-B2硬件显示了四个带有OASIS®磁盘和3D打印衬底支架的培养室。d 接口板，用于容纳BIOKON内部的两个YING-B2单元。e 带有两个YING-B2单元的BIOKON内部视图。如果BIOKON容器。g 培养室示意图，配备固定液储存库、两个带种子的底物盘和3d打印底物支架。h 单轴回转器，YING-B2单元包裹在铝箔中，以避免根向的光干扰。
图2 树根图像采集、处理和分析方案。a 在不透明基质中生长的胡萝卜根茎的三维成像，通过X射线显微断层扫描获取X射线投影。b 采用Feldcamp反投影程序进行三维图像重建。c 三维重建截面。d 通过图像阈值和感兴趣体积(Volume of interest，VOI)选择(灰色圆柱体)进行二值化后的二维图像切片和三维重建。e 打开数学形态学运算后的二维图像切片和三维重建。f 二维图像切片，去斑后进行三维重建，去除孤立体素组。g 球坐标局部根方位测量(局部天顶角和方位角θ和φ)。
图3 局部根生长方向映射。基于结构张量体素模型的Straumit方法的应用实例。围绕根体素计算的结构张量的三维梯度矩阵。b根据报告的球形图例，根体素的3D颜色编码方向。
图4 根与播种平面的角度映射。每次实验选取三根根为例，其“根与播种平面的角度”参数的彩色编码图像。白色箭头表示从种子开始的根起始点。
图5 根与播种平面的角度(RASP)分布。条形是标准误差。在一行中共享字母表示根体积百分比在角度范围内没有显著差异(Tukey检验，P<0.05)。
图6 根三维方向映射。用三个根的球坐标测量三维方位的彩色编码图像，作为每个实验的例子。每种颜色对应于球坐标(局部天顶角和方位角θ和φ)值的组合。白色箭头表示从种子开始的根起始点。
图7 根生长方向变化(ROC)。ROC数的平均值。(条形图为标准误差)相同字母的值无统计学差异(Fisher LSD检验)，P<0.05。
图8 根厚度映射。三个根的根厚的彩色编码图像被选为每个实验的例子。白色箭头表示从种子开始的根起始点。
图9 根厚(RT)分布。每个根厚度等级的根体积平均值(条为标准误差)。相同字母的值无统计学差异(Fisher LSD检验)，P<0.05。
Gargiulo, L., Mele, G., Izzo, L.G. et al. Local mapping of root orientation traits by X-ray micro-CT and 3d image analysis: A study case on carrot seedlings grown in simulated vs real weightlessness. Plant Methods 20, 150 (2024).
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王春颖
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