概述

最近，在北美和欧洲工作的科学家团队开发了一种创新的增长和成像平台，称为GLO-Roots，可以在土壤种植植物中研究根系结构和基因表达。GLO-Roots（根生长和发光观察站;美国专利申请：13 / 970,960）是卡内基科学学院（加利福尼亚州斯坦福大学）的JoséDinneny博士，RubénRéllan-Álvarez博士（墨西哥兰格比奥）和比利时大学列日大学的纪尧姆博士博士。 BioImaging Solutions，Inc.（加利福尼亚州圣地亚哥）的帮助下设计和建造，研究人员的新增长和成像平台支持几种模式生物，即拟南芥，黑曲霉，狗尾草和番茄。¹

GLO-Roots采用基于发光的记者和一对普林斯顿仪器背照式CCD照相机，可以研究土壤种植，遮光根部的根系结构和基因表达模式。定制图像分析算法允许土壤性质，基因表达和根系统结构特征的空间整合。 GLO-Roots开发人员声称，新平台可以为引发环境刺激的方式提供极大的实用性，从而引发自然适应性反应，并提供调查这些过程的多维度性质的工具。²

本应用笔记将概述由GLO-Roots团队进行的一些研究，该团队由斯坦福大学校园卡内基科学植物生物学系JoséDinneny博士领导。

GLO-Roots设置

GLO-Roots平台包括四个部分：（1）生长容器，称为根茎，允许植物在土壤中生长以及根部成像; （2）基于发光的记者，允许在生物植物中追踪根系生物学的各个方面; （3）GLO1，一种设计用于自动成像根茎的发光成像系统;和（4）GLO-RIA，一个旨在量化使用GLO1.²成像的根系的图像分析套件。图1显示了使用GLO-Roots平台的实验设置示例。

图1 GLO根生长和成像系统。 （A）根茎的不同物理成分的三维表示，包括塑料盖，聚碳酸酯片，垫片和橡胶U形通道。

（B）一个35日龄的植物，除去黑色盖子的根茎。

（C）带有11根根茎的手提箱的顶视图。

（D）本研究中使用的不同荧光素酶的体内发射光谱。将表达转基因的转基因纯合株在琼脂培养基上生长8天。将萤光素（300μM）喷洒在幼苗上;将板保持在黑暗中，然后在500至700nm的波长下成像2秒。从不同幼苗的不同部位取5个强度值，取平均值。相对最大强度值显示在右下图中。

（E）GLO1成像系统由两台普林斯顿仪器PIXIS：2048背照式CCD相机（a）冷却至-55°C。过滤轮（b）允许不同荧光素酶的光谱分离。在右侧，使用根茎保持器（c）将根杆菌放置在相机前面。步进电机（d）将两根旋转器旋转180°，以使两侧成像。 （F）播种表达报ProUBQ10：LUC2o的21DAS（即播种后21天）在根茎的两侧成像;发光信号以绿色或品红色着色以指示侧面。在面板的中间，显示了双面的组合图像。插图显示了根系统的放大部分。

卡内基科学院院士JoséDinneny博士提供的图表，照片和数据。首次发表在R. Rellán-Álvarez et al. 2015. “GLO-Roots：一个能够对土壤种植根系统进行多维表征的成像平台”。eLife 4（1）：e07597。

而用于生物医学研究的大多数商业可用的发光成像系统被优化用于在微量滴定板中成像水平保持的样品或样品，将根瘤菌置于该位置将在植物中诱导引力反应。因此，GLO-Roots利用定制设计的成像系统（称为生长和发光观测台1，或简称GLO1），其专门用于在GLO根根茎中双重报道荧光素酶表达的成像²。

来自普林斯顿仪器的两台PIXIS：2048背照式CCD摄像机安装在彼此的顶部，以便捕获部分重叠的根茎的图像，而电动台自动旋转根茎以捕获两侧的图像（参见图1E） 。然后从每边拍摄的图像生成合成图像。图1F显示，大约一半的根系在每侧显露出来双方都看不到根。土体厚度足以阻挡来自根系的部分的光，但足够薄以确保其连续结构可以从相对面视图编译。整个GLO1成像系统被封闭在一个不透光的黑盒子中，配有门，允许装载和卸载根茎。²

PIXIS：2048B摄像机不仅可以为GLO-Roots研究人员提供所需的空间分辨率和视野，而且还可以检测所使用的不同记者的发射波长所需的出色的低光级灵敏度。表1列出了与拟南芥相关的GLO-Roots研究中使用的萤光素酶。

表格1 在发表的涉及拟南芥的GLO-Roots研究中使用了七种荧光素酶。 卡内基科学院院士JoséDinneny博士提供的信息。首先发表在R. Rellán-Álvarez et al. 2015. “GLO-Roots：一个能够对土壤种植根系统进行多维表征的成像平台”。eLife 4（1）：e07597。

数据和结果

根系发展出不同的根类型，每一种都可以单独感受到无数的本地环境线索，并将其环境信息与系统信号相结合。 这种高度复杂的多维输入汞齐可以连续调整定义动态物理网络的根生长速度，方向和代谢活动。

图2显示了使用GLO1系统捕获的拟南芥根系统的延时成像以及使用GLO-RIA图像分析套件进行的定量。

图2 拟南芥根系的延时成像和使用GLO-RIA的定量。 （A）ProUBQ10：LUC2o Col-0工厂的11至35 DAS的典型每日延时图像系列。

（B）使用在GLO-RIA中实现的方向性插件计算的面板A中按时间序列成像的三个根系统的平均方向性。 

（C）使用面板A中的图像对根生长进行颜色编码投影。

（D）从GLH-RIA（n = 3）半自动确定的凸包自动计算根系的深度，宽度和面积）。初步根长，侧根数和侧根数除以主根长度进行手动定量。使用95％置信区间（灰色）的局部多项式回归拟合来表示方向性分布曲线。 0°是重力矢量的方向。

图片和数据由卡内基科学院院士JoséDinneny博士提供。首先发表在R. Rellán-Álvarez et al. 2015. “GLO-Roots：一个能够对土壤种植根系统进行多维表征的成像平台”。eLife 4（1）：e07597。

在这里，可以通过植物发育的后期观察到诸如方向性等根系特征（分别注意到35DAS根系统图像和图2A和2B所示的35DAS方向性分析）。 播种后11〜21天的时间序列分布在阿拉伯加拿大入选Col-0根表达报告子ProUBQ10：LUC2o中，如图2A和图1所示; 图2C中示出了颜色编码的时间投影。 方向性分析表明，根系的角度从0°（垂直）到55°逐渐变化，因为侧根占主导根类型。 图2D显示了可以由GLO-RIA（深度，宽度，面积）自动捕获的几种根性状随时间推移的变化，以及手动量化的其他（主根生长速率或每根根的侧根数）.2

迄今为止，GLO-Roots小组已发布了有关根系生长连续成像的数据; 不同拟南芥种系的根系结构; 利用光谱不同的荧光素酶捕获与基因表达模式相关的附加信息，表征根系相互作用和微生物定植; 水分亏缺，磷缺乏和光照下根系结构的适应性变化; GLO-Roots平台适用于研究其他植物物种; 和更多。 研究团队也非常有兴趣了解其他环境刺激如何影响根系生长，以及这些反应在拟南芥的种质之间是否有差异。

有关更多数据和对结果的深入讨论，请参阅R. Rellán-Álvarez et al. 2015. “GLO-Roots：一个能够对土壤种植根系统进行多维表征的成像平台”。eLife 4（1）：e07597。

启用技术

集成在GLO1成像系统中的每个PIXIS：2048摄像机都采用CCD背光照明传感器，其大光敏阵列由

2048 x 2048像素（见图3）。 通过使用普林斯顿仪器的独家XP冷却技术，这些400万像素摄像机通过全金属密封设计实现了低至-70°C的热电冷却。 这种创新的冷却技术确保了免维护运行，并得到业界唯一终身真空保证的支持。

图3 PIXIS：来自普林斯顿仪器的2048 CCD相机提供极好的灵敏度和大视野。

除了XP产生的热产生（暗）噪声的最小化之外，非常高的量子效率和超低噪声电子产品使得PIXIS：2048摄像机非常适合苛刻的低光级成像应用。双速运行（即100 kHz或2 MHz）允许在稳态和快速动力学研究中的利用。

优化从UV到UV的应用的定量科学成像性能NIR，PIXIS：2048平台支持前置照明CCD格式，背光照明格式，高紫外线灵敏度的背光照明格式，以及高近红外灵敏度的背照式格式。 （请注意，普林斯顿仪器利用自己的专有eXcelon®处理和背照式深度耗尽技术，在抑制标准背照式CCD中发生的分类标准的同时，在NIR中提供最高的灵敏度。）其他几种CCD阵列尺寸用于各种成像和光谱应用，由PIXIS系列支持。

使用最新版本的Princeton Instruments 64位LightField®数据采集软件，可以完全控制所有PIXIS硬件功能。通过非常直观的LightField用户界面提供了大量用于轻松捕获和导出成像数据的新功能。

参考文献

1.https：//dinnenylab.wordpress.com/glo-roots/ [2016年5月在线访问] 

2.R. Rellán-Álvarez et al. 2015. “GLO-Roots：一个能够对土壤种植根系统进行多维表征的成像平台”。eLife 4（1）：e07597。

文章来源Princeton Instruments