基于ImageJ软件的水稻根毛长度测量.doc

基于ImageJ软件的水稻根毛长度测量-农学论文基于ImageJ软件的水稻根毛长度测量 付艳茹，须 健 （华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室，武汉 ） 摘要：以体视镜拍摄的水稻（ ）中旱号（）和珍汕（）的主根照片为研究对象，利用图像分析软件 建立了一种全新的水稻根毛长度测量方法。在不同的培养时间和培养条件下，分别对位于水稻主根不同部位根毛的长度进行统计，得到一组最优的水稻根毛的测量方法和测量条件。用所建立的水稻根毛长度测量体系，对两组肉眼观察根毛长度无明显差异的水稻品种进行了测量，结果表明，此种方法可以检测出两个水稻品种间根毛长度的差异。 关键词：水稻（ ）；根毛；长度测量； 软件 中图分类号：； 文献标识码：A 文章编号：0439114（15）071722-04 DOI:10.14088/ki.issn0439-8114.2015.07.049 水稻是单子叶植物的模式植物，也是重要的粮食作物。目前对于水稻地下部分的研究相对薄弱。根系是植物吸收外界水分、养分的主要器官，环境条件和栽培措施大多是首先通过影响根系的发育，进而影响到植株地上部分的生长。根毛是根的成熟区表皮细胞的细长突起。大部分被子植物的表皮细胞分为生毛细胞（细胞）和非生毛细胞（细胞）。以前一直认为水稻根毛是由表皮细胞不对称分裂后形成小的子细胞分化产生的，但近期的研究表明水稻根的表皮细胞是对称分裂的，根毛发达后生毛细胞比非生毛细胞的扩增速率快，导致根毛成熟时生毛细胞比非生毛细胞要小。生毛细胞比非生毛细胞的扩增速率快可能与生毛细胞是重要的吸收水分和营养的器官有关。 是由美国国立卫生研究院（ ）开发的一个基于的图像处理软件，可以显示、编辑、分析、处理多种图片格式，由于其操作简单有效已经广泛地应用于各个领域。本研究利用 软件首次建立了水稻根毛长度的测量方法，使准确、简便地量化水稻根毛的长度成为可能；利用所建立的根毛测量方法对两组肉眼所见根毛长度无明显差异的水稻品种进行测量，发现此种方法可以揭示出不同水稻品种间根毛长度的差异，从而证明了该测量体系的可行性和有效性，为进一步研究水稻根毛发育及其影响因素打下了量化分析基础。 材料与方法 材料 水稻：中旱号（）、珍汕（），由华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室提供。 方法 ） 培养基配制。培养基配方为： 粉末、 蔗糖、 （2-（N-吗啡啉）乙磺酸）、 琼脂，去离子水定容至 。调节至，高温高压灭菌 后倒入 透明的塑料方形培养皿中，凝固后备用。 ）种子灭菌及幼苗生长。将去掉颖壳的水稻种子分装在锥形瓶中，加入适量（）的乙醇摇晃 ，弃去乙醇，加入（mV）升汞摇晃 ，弃去升汞，最后用灭菌水清洗次。将灭过菌的水稻种子横向（胚背向培养基一侧）摆放在 培养基上，每皿粒。将培养皿封口后竖直向后倾斜放置，使根能贴在培养基表面生长。 光暗（ ）培养或 暗培养 或 。 结果与分析 水稻根毛的图像采集 去掉水稻幼苗培养皿封口膜后背面朝上，用体视显微镜（ ；：）拍照，参数设置为：、曝光、饱和度、伽玛、增益。 水稻根毛的测量 启动 软件，选择（图）打开所拍摄的水稻主根的体视镜图片； （图）确定标尺；选择 工具（图），默认设置，将所需测量的部位选定，按键盘上的“”键，将所选区域复制， ，所复制的区域会作为一个独立的窗口出现；用工具，默认设置，将主根选中（图），选择（图）得到主根的面积；选择（图）将图像调整为灰度模式；选择（图）通过拖动标杆（图）将根毛和主根选中，然后选择，选择 （图）会弹出一个设置框，调整（），这时会输出根毛和主根的面积和（图）。根据公式：根毛的平均长度（根毛和主根的面积和主根的面积）（所选区域的长度），得到根毛的平均长度。 水稻根毛测量方法的优化 以和为材料，选取尖端（从距根毛起始处 开始向上 的区域，图A白色箭头区域）、基部（从种子端开始向下 的区域，图B）和整体（基部和尖端根毛的平均值）的根毛长度进行统计。培养条件和时间也做了相应的改变， 光暗（ ）培养或 暗培养 或 。 培养条件的确定 在光、暗条件下培养 ，分别对根的尖端、基部和整体的根毛长度进行测量。结果表明，在光、暗条件下和两个品种间各个部位的根毛长度差异都极显著，但在光培养条件下两个品种间尖端、基部、整体的值（分别为、）远小于暗培养下两个品种间的值（分别为、），所以选定光培养为进行根毛长度测量的理想条件。 培养时间的确定 分别光培养 和 ，对根的尖端、基部和整体的根毛长度进行测量。结果表明，光下培养 和 时，和两个品种间各个测量部位的根毛长度差异都极显著；但在光培养 时种内也有显著性差异（基部的根毛长度和整体的根毛长度相比其值为），表明光培养 时根毛的长度尚未稳定，所以选定 为测量根毛长度所需的培养时间。 测量部位的确定 光培养 d，和种间根毛长度相比，各部位相比差异都极显著，尖端（值为 ）的差异比整体（值为）和基部（值为）的要更为显著（图，表）；和种内根毛长度相比，尖端和基部的根毛长度与整体相比差异都不显著（表），所以可以用尖端的根毛长度来衡量水稻根毛的长度。 由上述结果可以得出，水稻根毛长度测量体系的条件为：水稻光培养 ，以尖端根毛的长度来衡量整体根的根毛长度。 水稻根毛测量方法的应用 为了验证上述所建立的根毛测量体系是否切实可行，对图中肉眼所见根毛长度无明显差异的两个水稻品种根毛长度进行了测量，其中A、B、C为同一品种，D、E、F为另一品种。结果显示，图的水稻根毛长度分别为、 。统计分析结果表明，、间值为，、间 值为 ，、间值为，、间值为，、间值为，、间值为，这两组内个样本间根毛长度的差异都是显著的，从而证明了所建立的根毛长度测量体系可以用于根毛长度的量化分析，能快速准确地检测出各水稻品种间根毛长度的差异。 小结与讨论 根毛的长度决定了根和根际接触的面积大小，进而对根吸收水分和营养有重大的影响。关于根毛初始和伸长的基因已经有相关的报道，在水稻中、参与根毛的伸长。根毛的初始和伸长都需要细胞壁松弛蛋白。有两个亚家族和，有很多和成员已经证实在细胞壁松弛和快速扩张中起重要的作用。随着相关基因的分离，为进一步研究水稻根毛发育的分子机制奠定了基础。 由于根毛是根成熟区表皮细胞的细长突起，很容易受到损坏。水稻植株较大，根毛密集，所以对水稻根毛长度的测量有一定的难度。试验采用在培养皿中生长的水稻幼苗作为根毛测量的对象，不仅容易控制而且结果稳定可靠。虽然以前也有研究测量过根毛的长度，但都是取根的特定部分的若干根毛，测量其长度作为根毛的长度，其测量的长度有时不能代表整个根的根毛长度。而该研究采用软件统计的方法建立了一个新的水稻根毛长度的测量方法，用所选区域根毛长度的平均值来衡量整体根毛的长度，使得到的数据更有说服力。创建的基于 软件的水稻根毛长度测量方法，使对水稻根毛长度的精确量化分析成为可能，将有助于水稻根毛发育相关基因的发现及其功能研究，进一步推动水稻水分、养分吸收研究的发展。 参考文献： ， ，（）： 刘 智，王玲玲，周卫东，等用 分析水稻胚乳淀粉粒表面几何特征的方法电子显微学报，（）： 邓林红，王 锐，