土壤根系表征

近期，一支在北美和欧洲工作的科学家团队开发了名为 GLO-Roots 的创新生长与成像平台，可在土壤生长的植物中研究根系结构和基因表达。GLO-Roots（Growth and Luminescence Observatory for Roots；美国专利申请：13/970,960）是 Carnegie Institution for Science（Stanford, California）Dr. José Dinneny 实验室、Langebio, Mexico 的 Dr. Rubén Réllan-Álvarez 实验室以及比利时 Université de Liège 的 Dr. Guillaume Lobet 实验室的合作成果。

近期，一支在北美和欧洲工作的科学家团队开发了名为 GLO-Roots 的创新生长与成像平台，可在土壤生长的植物中研究根系结构和基因表达。

GLO-Roots（Growth and Luminescence Observatory for Roots；美国专利申请：13/970,960）是 Carnegie Institution for Science（Stanford, California）Dr. José Dinneny 实验室、Langebio, Mexico 的 Dr. Rubén Réllan-Álvarez 实验室以及比利时 Université de Liège 的 Dr. Guillaume Lobet 实验室的合作成果。在 BioImaging Solutions, Inc.（San Diego, California）协助下设计建造的研究人员新生长与成像平台支持多种模式生物，即 Arabidopsis thaliana、Brachypodium distachyon、Setaria viridis 和 Lycopersicon esculentum。1

GLO-Roots 采用基于发光的报告基因和一对 Princeton Instruments 背照 CCD 相机，以研究土壤生长、遮光根系中的根系结构和基因表达模式。定制图像分析算法允许整合土壤性质、基因表达和根系系统结构性状的空间信息。GLO-Roots 开发者认为，新平台在以诱发自然适应性响应的方式向根系呈现环境刺激方面具有重要价值，并为研究此类过程的多维性质提供工具。2

本应用说明将概述 GLO-Roots 团队开展的部分研究，该团队由 Stanford University 校园 Carnegie Institution for Science 植物生物学系 Dr. José Dinneny 领导

GLO-Roots 平台包含四个部分：(1) 生长容器（称为 rhizotrons），允许植物在土壤中生长并成像根系；(2) 基于发光的报告基因，可追踪活体植物中根系生物学的多个方面；(3) GLO1，专为自动成像 rhizotrons 而设计的发光成像系统；以及 (4) GLO-RIA，专为量化 GLO1 成像的根系系统而设计的图像分析套件。2 图 1 展示了使用 GLO-Roots 平台的实验装置示例。

大多数面向生物医学研究的商用发光成像系统针对水平放置样本或微孔板中的样本进行优化，若将 rhizotrons 置于该位置会诱导植物的重力向性反应。因此，GLO-Roots 采用定制成像系统（称为 Growth and Luminescence Observatory 1，或简称 GLO1），专门优化用于成像 GLO-Roots rhizotrons 中的双报告荧光素酶表达。2

两台 Princeton Instruments 的 PIXIS:2048 背照 CCD 相机上下叠放，以捕获 rhizotron 的部分重叠图像，同时电机驱动平台自动旋转 rhizotron 以采集两侧图像（参见图 1E）。然后由两侧采集的图像生成合成图像。图 1F 显示每侧约揭示一半根系，少数根在两侧均可见。土壤片足够厚以阻挡部分根系的光，又足够薄以确保可从对面视图编译其连续结构。整个 GLO1 成像系统封装在带门的遮光黑箱中，便于装卸 rhizotrons。2

PIXIS:2048B 相机不仅为 GLO-Roots 研究人员提供所需的空间分辨率和视场，还提供检测所用不同报告基因发射波长所需的出色微光灵敏度。表 1 列出了用于拟南芥相关 GLO-Roots 研究的荧光素酶。

根系系统发育出不同类型的根，每种根单独感知无数局部环境线索并整合环境与系统性信号。这种高度复杂的多维输入组合使根系生长速率、方向和代谢活性能持续调整，形成动态物理网络。2

此处，方向性等根系性状可在植物发育后期观察到（注意图 2A 中 35 DAS 根系系统图像及图 2B 中 35 DAS 方向性分析）。图 2A 和图 3 展示了表达报告基因 ProUBQ10:LUC2o 的拟南芥 Col-0 品系播种后 11 至 21 天的时间序列；图 2C 显示颜色编码的时间投影。

方向性分析表明根系系统角度随时间逐渐从 0°（垂直）变化至 55°，侧根成为主要根型。图 2D 显示 GLO-RIA 可自动捕获的多种根系性状随时间的演变（深度、宽度、面积）以及手动量化的性状（主根生长速率或每条主根侧根数）。2

迄今，GLO-Roots 团队已发表关于根系生长连续成像、不同拟南芥品系根系系统结构、利用光谱不同荧光素酶捕获与基因表达模式相关的附加信息、根系系统相互作用表征及微生物定殖、水分亏缺、磷缺乏和光照下根系系统结构的适应性变化、GLO-Roots 平台用于研究其他植物物种的适用性等数据。研究团队还高度关注发现其他环境刺激如何影响根系生长以及不同拟南芥品系间此类响应是否不同。2

更多数据及深入结果讨论，请参阅 R. Rellán-Álvarez 等 2015。" GLO-Roots: an imaging platform enabling multidimensional characterization of soil-grown root systems. " eLife 4 (1): e07597.

集成于 GLO1 成像系统的每台 PIXIS:2048 相机均采用背照传感器 CCD，其大感光阵列由 2048 x 2048 像素组成（见图 3）。借助 Princeton Instruments 独有的 XP 冷却技术，这些四百万像素相机通过全金属密封设计实现热电冷却至 -70°C。这一创新冷却技术确保免维护运行，并享有业内唯一的终身真空保证。

除 XP 将热生（暗）噪声降至最低外，极高量子效率和超低噪声电子学使 PIXIS:2048 相机成为要求严苛的微光成像应用的理想选择。双速运行（即 100 kHz 或 2 MHz）使其既可用于稳态研究也可用于快速动力学研究。

为优化从 UV 到 NIR 的定量科学成像性能，PIXIS:2048 平台支持前照 CCD 格式、背照格式、高 UV 灵敏度背照格式以及高 NIR 灵敏度背照格式（Princeton Instruments 利用其专有 eXcelon® 工艺和背照深耗尽技术，在 NIR 中提供最高灵敏度，同时抑制标准背照 CCD 中出现的条纹）。PIXIS 系列还支持适用于各种成像和光谱应用的其他 CCD 阵列尺寸。

借助 Princeton Instruments 最新版 64 位 LightField® 数据采集软件（可选），可轻松完全控制所有 PIXIS 硬件功能。通过极其直观的 LightField 用户界面，提供大量用于轻松采集和导出成像数据的新功能

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