植物根系的統(tǒng)計(jì)學(xué)生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)特性分析

生物分支網(wǎng)絡(luò)是獲取和分配資源的基礎(chǔ)，例如處理信息的神經(jīng)樹、循環(huán)運(yùn)輸血液的血管網(wǎng)絡(luò)和植物中運(yùn)輸糖分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)等。一直以來(lái)，數(shù)理生物學(xué)家們都在致力于解讀這些生物分支網(wǎng)絡(luò)在空間中的生長(zhǎng)和散布。由于不同類型的分支網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)和功能上基本相似，所以有必要探究這些網(wǎng)絡(luò)是否擁有共同的定量特征。

土壤具有復(fù)雜的化學(xué)和物理環(huán)境，其中的水和養(yǎng)分呈非均相分布，并且會(huì)受到多種生物的競(jìng)爭(zhēng)。因此，植物根系發(fā)育的時(shí)間和位置對(duì)其能否成功獲取資源以及生存能力有著重要的影響。在根系覓養(yǎng)的過程中，植物獲取到的有限碳資源不斷在現(xiàn)有根的生長(zhǎng)（伸長(zhǎng)）和產(chǎn)生新根系（分支）之間分配，分配過程由遺傳機(jī)制和內(nèi)外信號(hào)共同決定；確定驅(qū)動(dòng)根系形成不同形狀的分子機(jī)制，有助于揭示基因型和表型的關(guān)系，并且有助于在農(nóng)作物中選育特定的性狀。

目前，植物根系的許多結(jié)構(gòu)特征已得到了廣泛研究，包括根深、根長(zhǎng)、根毛分布、側(cè)生根的大小和數(shù)量等。另外，也有許多研究分析了根系形狀的總體性質(zhì)，包括根系覓養(yǎng)精確度、通過持久同源法獲取的拓?fù)湫螒B(tài)等，上述特性會(huì)影響根系結(jié)構(gòu)的許多生物學(xué)功能，如錨固、固碳以及在土壤中尋找水和養(yǎng)分等。

近日，Plant Phenomics在線發(fā)表了美國(guó)冷泉港西蒙斯定量生物學(xué)中心、加州大學(xué)圣地亞哥分校及唐納德·丹佛斯植物科學(xué)中心Sam Sultan等人題為A Statistical Growth Property of Plant Root Architectures的研究論文。

根系的分支密度和空間分布具有許多功能意義，也是該文章關(guān)注的重點(diǎn)。文章使用了一種基于凝膠的環(huán)境可控光學(xué)成像平臺(tái)，該平臺(tái)能夠以無(wú)損的方式對(duì)根系進(jìn)行大量測(cè)量，并輸出根系結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云(Figure 1a)。之后，使用基于概率論的方法來(lái)研究根系結(jié)構(gòu)的空間密度函數(shù)(Figure 1b)，該函數(shù)描述了在根系所占據(jù)的三維空間中的每個(gè)點(diǎn)是根系分支點(diǎn)的概率。

研究者分析了來(lái)自4個(gè)物種的1645個(gè)根系結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)所有結(jié)構(gòu)的空間密度函數(shù)均具有種群相似性(Figure 2)。也就是說(shuō)，盡管這些根系結(jié)構(gòu)具有明顯的視覺多樣性，但除了沿正交方向上的拉伸和壓縮外，都具有相同的基本形狀，且所有根系結(jié)構(gòu)的空間密度都可以用單個(gè)基礎(chǔ)函數(shù)的變化來(lái)描述。此外，植物的芽結(jié)構(gòu)也遵循以上的表現(xiàn)形式，這表明根、芽這兩種植物體內(nèi)基本的運(yùn)輸系統(tǒng)很可能使用了相似的生長(zhǎng)策略。

Figure 1: Point clouds of root system architectures and example Gaussian spatial density function.

Figure 2: Root architectures are population-similar and have Gaussian spatial densities.

論文鏈接
https://spj.sciencemag.org/journals/plantphenomics/2020/2073723/

——推薦閱讀——
Soybean Root System Architecture Trait Study through Genotypic, Phenotypic, and Shape-Based Clusters
https://spj.sciencemag.org/journals/plantphenomics/2020/1925495/
Plant Phenomics | 通過對(duì)大豆根系的基因、表型及根形進(jìn)行聚類分析來(lái)研究根系構(gòu)型特征
An Analysis of Soil Coring Strategies to Estimate Root Depth in Maize (Zea mays) and Common Bean (Phaseolus vulgaris)
https://spj.sciencemag.org/journals/plantphenomics/2020/3252703/
Plant Phenomics | 對(duì)玉米和常見豆類土壤取芯法測(cè)定根深的分析

About Plant Phenomics
《植物表型組學(xué)》（Plant Phenomics）是由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）合作創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，于2019年1月正式上線發(fā)行，是Science合作出版的第二本期刊。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CABI、CNKI和DOAJ數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。

說(shuō)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：王棟（實(shí)習(xí)）
編輯：周燦彧（實(shí)習(xí)）、鞠笑、孔敏
審核：尹歡