CN102511365A

CN102511365A - 测量水稻苗期根的构型和形态的方法

Info

Publication number: CN102511365A
Application number: CN2011104210715A
Authority: CN
Inventors: 楼巧君; 陈亮; 梅捍卫; 夏辉; 罗利军
Original assignee: SHANGHAI MUNICIPAL AGRICULTURAL BIOLOGICAL GENE CENTER
Current assignee: SHANGHAI MUNICIPAL AGRICULTURAL BIOLOGICAL GENE CENTER
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明提供了一种简易方便的二维水稻根系固定观察和测定的方法，其利用一套简易的根系生长栽培器，直接将水稻根系生长状况进行图像获取，并结合电脑分析软件，完成对水稻根系的形态构型观测和测定，尤其适合水稻深根性的研究。其技术效果是，在水稻品种筛选、抗逆研究、水稻育种上具有重要的参考和应用价值。

Description

测量水稻苗期根的构型和形态的方法

技术领域

本发明涉及一种用于研究水稻根系形态的方法，具体地说，涉及一种能够简便观察和测量苗期水稻根的构型和形态的方法。

背景技术

水稻是世界最重要的粮食作物之一，是现在农业生物研究的热点作物。根系是植物吸收营养和水分的主要器官，不同的根型形态直接影响了植物水分养分的吸收、应对环境胁迫的能力，会对植物的生长和生殖造成显著差异。水稻的根系属于须根系，有深根型和浅根型，深根型的品种大部分根系超过20厘米，可以吸收深层土壤中的水分；浅根型品种大部分根系集中在土壤表层，以吸收上层的水分和营养为主。不同品种和不同条件下水稻根的形态构型千差万别，因此研究水稻的根系构型形态对优良水稻品种的筛选、水稻抗逆机制的发掘等非常重要。但是，在自然生长条件下，由于土壤介质的不透明性和环境条件的复杂性，很难进行原位的观察和测量。迄今已有根系二维和三维结构形态分析的报导，不过这些方法都针对性不强，且较为复杂不太适合大规模的实验。

发明内容

本发明的目的在于克服水稻根系观察和测定的局限性，提供一种简易方便的二维水稻根系固定观察和测定的方法，其利用一套简易的二维根系生长栽培器，直接将水稻根系生长状况进行图像获取，并结合电脑分析软件，完成对水稻根系的形态构型观测和测定。

本发明目的通过以下技术方案予以实现，提供一种水稻根系形态结构的观察方法，包括下列步骤：

(a)制作质地透明、大小适宜的生长盒；

(b)制作大小合适便于放置生长盒的生长架；

(c)在生长盒内灌透明培养基；

(d)将水稻种子催芽后，转移到生长盒中，将生长盒放置在生长架上，一起放入高度合适的周转箱中水培生长；

(e)采用高精度的扫描仪对生长盒进行图像扫描。

优先的方案是，所述步骤(a)中的生长盒为方形透明盒子，其两端均设有可取卸的盖子，所述盖子中间设圆孔，所述圆孔的直径在0.8～1.2厘米。

优先的方案是，所述生长盒高9～12厘米，内径长10～15厘米，内径宽0.8～1.2厘米。

优先的方案是，所述生长盒为方柱形有机玻璃盒子。

优先的方案是，所述步骤(b)中的生长架为用来放置生长盒的锯齿形有机玻璃架子。

优先的方案是，所述步骤(b)中的生长架的长为27～32厘米，高为5～7厘米，宽12～14厘米，所述生长架的中间设有至少两根支撑架，在所述支撑架25～3.5厘米高的位置设有若干个凹槽，每个凹槽对应设置一个生长盒。

优先的方案是，所述步骤(c)中的透明培养基为琼脂糖胶，质量比的浓度为0.8％-1％。

优先的方案是，所述方法还包括步骤(f)：所述步骤(f)是水稻发芽生长时需对苗子基部进行遮光处理，防止绿藻产生。

优先的是，灌胶时，先将不加盖的生长盒整齐的竖直放置在小周转箱中，倒入煮沸的琼脂糖溶液，刚好没过生长盒顶端。待琼脂糖冷却凝固后，将灌好胶的生长盒小心取出，盖上盖子备用。

本发明较优的实施方案是实现图像扫描和形态分析的系统包括图像获取和根系图像分析软件等。具体功能包括生长盒平板图像获取可以由普通数码相机、联机CCD摄像头、激光扫描仪等方式获得。本发明优先推荐采用激光扫描仪，因为扫描仪精度较大，位置固定，操作更方便，图片之间可比性更强，适合于用图像软件进行分析。根系图像分析软件采用CIAS和WinRHIZO Tron MF或LA-S根系分析软件，利用上述分析软件对已获取的图像进行预处理、特征提取、图像分析和处理后，就可以获得根数目、表面积、长度、根角度、根直径等数据。

本发明的方法，具有以下优点：

1.该方法的装置简便廉价易获取；

2.该方法省时省力，大大提高了研究效率；

3.本方法的操作简单方便，快捷准确；

4.本发明首次提出以平板琼脂糖胶加图像扫描的方法来研究水稻根系形态构型，尤其是对水稻深根性的研究，在水稻营养水分吸收、抗逆机制研究等方面具有重要的参考和应用价值。

本发明提供的专门针对水稻的二维根系生长栽培器，模拟自然条件下苗期水稻的根系构型，并将水稻根系进行图像获取、软件分析计算，从而方便快速地完成对水稻根系形态构型的观察和测量。另外，这种方法观察到的数据与田间三维真实测定值之间有极高的相关性，因此能够用这种方法来代表田间土壤介质中的根系情况。

下面实施例进一步描述本发明，但所述实施例仅用于说明本发明而不是限制本发明。

附图说明

图1是生长盒的结构示意图

图2是生长架的结构示意图

图3本发明深根比的计算示意图

图4是实施案例的培养20天的根系状况示意图

图5是实施案例在培养35天时的根系示意图，红色夹角表示根系集中分布的区域。

1-上盖子；2-盒子；3-下盖子；10-生长盒；11-上圆孔；31-下圆孔；20-生长架；21-支撑架；22-凹槽；23-锯齿形有机玻璃架子。

具体实施方式

如图1所示，生长盒10为方形透明盒子，其两端均设有可取卸的盖子(1、3)，分为上盖子1和下盖子3，所述盖子(1、3)的中间分别设有上圆孔11和下圆孔31，所述圆孔的直径在0.8～1.2厘米，生长盒10的高9～12厘米，内径长10～15厘米，内径宽0.8～1.2厘米。

如图2所示，所述生长架20包括支撑架21和凹槽22和锯齿形有机玻璃架子23，所述支撑架21设在生长架20的中间，生长架20的长为27～32厘米，高为5～7厘米，宽12～14厘米，所述生长架为用来放置生长盒的锯齿形有机玻璃架子23，在所述支撑架25～3.5厘米高的位置设有若干个凹槽22，每个凹槽22对应设置一个生长盒10。

实施例

使用4个水稻品种作为供试材料。珍汕97B是国内推广范围较大的籼稻品种，IRAT109是典型的旱稻品种，313和384是以珍汕97B和IRAT109为亲本构建的重组自交系个体。IRAT109具有优良的抗旱性，是进行水稻水分胁迫抗性研究的通用材料。

透明培养基为Invitrogen公司的琼脂糖胶，质量比的浓度为1％。直接用自来水配置，不需要灭菌，不加营养物质。煮沸后，冷却至60℃左右即可灌胶。灌胶完成后，去除生长盒外面多余的培养基，盖上盖子等待备用。挑选整齐干净的种子，加水后在28℃催芽48小时。挑取露白的饱满种子，胚朝下插入盖子圆孔下的培养基中，以一半种子体积没入胶中为宜。播种完毕后，将生长盒排列在生长架上，放在水溶液中培养，水的高度刚好没过生长盒的为宜。环境条件为20℃暗(18:00-7:00)，29℃光照(7:00-18:00)，相对湿度65％-75％。播种后1-12天，用自来水培养即可，12天后换作营养液。营养液按照国际水稻所的配方配制，根据生长情况，5天-10天更换一次。国际水稻所营养液配方：

储备液1(1L)：NH4NO3(97.3g)，CaCl2(88.6g)

储备液2(1L)：NaH2PO4.2H2O(40.3g)，K2SO4(71.4g)

储备液3(1L)：MgSO4.7H2O(324g)，

储备液4(1L)：MnCl2.4H2O (1.5g)，(NH4)6Mo7O24.2H2O (0.074g)，H3BO3(0.934g)，ZnSO4.7H2O(0.035g)，CuSO4.5H2O(0.031g)，FeCl3.6H2O(7.7g)，柠檬酸水合物(11.9g)

培养液配置：如配置1L培养液，以上储备液各加1.25ml加入到1L水中(简易操作：加1ml储备液)，并加入0.1ml的浓盐酸调PH值，PH值在5.5左右为宜。

苗基部以下用黑色塑料布遮光，避免绿藻产生。根据需要，在不同生长时期进行拍照扫描，本案例在生长35天的时候进行图像获取。因为本案例主要的研究目标是水稻的深根性，而生长了35天左右的水稻苗已经完全脱离本身种子营养的影响，并且根系的状态与成熟期具有很大的相关性，是进行根系形态结构观察的适宜期。在研究水稻深根性时，需要保持原位状态，所以将带苗的生长盒整个放入扫描仪中扫描，扫描时设置正片方式获取图片。因为生长时间较长，根系有一些重叠，所以在测取其它数据时，需要将根系从培养基中取出，洗净分散后再进行扫描。生长时间较短的(≤20天)的水稻材料，

如图3所示，无需将根系从生长盒中取出，直接扫描就可以进行图像分析。将扫描得到的图片用图像分析软件进行分析，根据根系的分布状态，可观察到根系集中分布的区域角度，如图5所示，除此之外，与常规的根系分析软件类似，还可以获得根总长；根平均直径；根总面积；根总体积；根尖计数；分叉计数；交叠计数；根尖段长分布；根直径等级分布参数等。分析图像、分布图、结果数据可保存，分析结果输出至Excel表，可输出分析标记图，采用本发明方法得到的水稻根系图片和数据见附图4、5和附表1

表1不同生长状态下深根性的比较

	IRAT109	珍汕97B	384	313
					田间三维深根比	0.50	0.15	0.49	0.13
生长盒深根比	0.88	0.54	0.79	0.42
					生长盒根系集中角度	31°	60°	26°	59°

深根比是指深层根占总根的比例，本案例田间三维的深根比测定参照Yusaka Uga(2011)的方法，略有改动。每个材料重复6次，取平均值。生长盒深根比的测定方法如图3所示，深根比＝1-两侧红色方框内的根数/蓝色方框内的总根数。结果可见，无论用三维观测的方法还是用本案例生长盒栽培观测的方法，都能够发现旱稻IRAT109的深根比显著的高于普通水稻珍汕97B，根系也更为集中，前者的根系夹角明显小于后者。384和313分别接近亲本IRAT109和珍汕97B，深根性上也具有显著差异。此结果说明了用这种方法得到的数据与真实的根系分布情况有很好的相关性，在不同品种之间能得到很好的区分效果，也表明本发明方法的可行性和可靠性，是研究水稻根系形态尤其是深根性的一种有效方法。其它根长根体积之类指标的观察测定，与用常规的根系分析软件类似，这里就不再赘述。

本发明虽然以水稻作为案例，但是普遍适用于水生性的植物根系研究，生长盒的尺寸也可以根据实际的需要稍做改动。尽管对本发明已作了详细的说明并引证了一些具体实例，但对本领域技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围，还可以做各种变化或修正，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。

Claims

1.一种水稻根系形态结构的观察方法，其特征在于，包括下列步骤：

(a)制作质地透明、大小适宜的生长盒；

(b)制作大小合适便于放置生长盒的生长架；

(c)在生长盒内灌透明培养基；

(e)采用高精度的扫描仪对生长盒进行图像扫描。

2.根据权利要求1所述的观察方法，其特征在于，所述步骤(a)中的生长盒为方形透明盒子，其两端均设有可取卸的盖子，所述盖子中间设圆孔，所述圆孔的直径在0.8～1.2厘米。

3.根据权利要求2所述的观察方法，其特征在于，所述生长盒高9～12厘米，内径长10～15厘米，内径宽0.8～1.2厘米。

4.根据权利要求3所述的观察方法，其特征在于，所述生长盒为方柱形有机玻璃盒子。

5.根据权利要求1所述的观察方法，其特征在于，所述步骤(b)中的生长架为用来放置生长盒的锯齿形有机玻璃架子。

6.根据权利要求5所述的观察方法，其特征在于，所述步骤(b)中的生长架的长为27～32厘米，高为5～7厘米，宽12～14厘米，所述生长架的中间设有至少两根支撑架，在所述支撑架25～3.5厘米高的位置设有若干个凹槽，每个凹槽对应设置一个生长盒。

7.根据权利要求1所述的观察方法，其特征在于，所述步骤(c)中的透明培养基为琼脂糖胶，质量比的浓度为0.8％-1％。

8.根据权利要求1所述的观察方法，其特征在于，所述方法还包括步骤(f)，所述步骤(f)为水稻发芽生长时需对苗子基部进行遮光处理，防止绿藻产生。