TY - BOOK
T1 - Deep Root Phenotyping
AU - Svane, Simon Fiil
PY - 2019
Y1 - 2019
N2 - Planter med dyb rodvækst har adgang til vand og næringsstoffer som ikke er tilgængelige for planter med et overfladisk rod system. Ved mangel på vand og næring øverst i jordprofilen er evnen til at udnyttet ressourcer fra dybe jordlag værdifuld. Det er foreslået at gennem målrettet planteforædling vil medfører at planters evne til at udnytte ressourcer fra dybe jordlag kan forbedres, gennem en modikation af rodsystemet. Traditionelt har planteforædlere dog stort set udelukkende fokuseret på parametre i skuddet for at hæve afgrødernes udbyttepotentiale. Derimod har rodsystemet haft et begrænset fokus, primært fordi der dyrt og arbejdskrævende at kvantificere forskelle i rodvækst i marken. Formålet med dette ph.d.-projekt var at udvikle nye og mere effektive metoder til studier af dyb rodvækst i et miljø tilsvarende markforhold. I Kapitel 3 beskrives et nyt anlæg til screening af sortsforskelle i dyb rodvækst. I anlægget måles rødder direkte ved brug minirhizotroner og et kamera system, og indirekte målinger foretages gennem rod vækst måles gennem røddernes evne til at forsyne skuddet med vand. Vårbyg (Hordeum Vulgare L.) blev dyrket gennem 2 sæsoner og fungerede som en indledende test af konceptet. I hver sæson blev en tørke behandling induceret og der blev observeret en dyb udtørring af jorden som følge af røddernes vækst. Ved brug af et specielt udviklet undervandingssystem blev der induceret en stress-gradient på langs af anlægget. Ved indsamling af planteprøver blev det vist at gradienten medførte en reduktion i kerneudbyttet og kerne størrelse. Derudover havde planterne en højere bladtemperatur i den tørrer del af behandlingen. Desuden blev der fundet en statistisk signifikant sortseffekt i antallet af rødder i dybe jordlag. Forskelle mellem de 2 sæsoner samt variation inden for hvert eksperiment diskuteres. Derudover gives forslag til forbedringer af konceptet. I kapitel 4 beskrives et nyt multi-spektralt kamera system til brug i minrhizotroner beskrevet og valideret. Systemet muliggør automatisk billede genkendelse af levende rødder. Ved brug af fem bølgelængder i det visuelt og infrarøde farvespektrum kan pixels i hvert billede grupperes på baggrund af reflektants. Derudover bliver baggrundsstøj undertrykt ved brug af en filter algoritme inden rodlængden beregnes. Systemet blev testet ved dyrkning af forskellige sorter af vårbyg og rajgræs (Lolium Perenne L.). Automatisk billede genkendelse havde tilsvarende og i nogle tilfælde forbedret evne til at finde sortsforskelle i forhold til en traditionelt manuelle metode basseret på rodtællinger. Fremtidige forbedringer synes mulige ved at reducerer antallet af falske positiver. I kapitel 5 præsenteres et fuldskala eksperiment ved brug af de nyudviklede metoder til studier af dyb rodvækst. Et stort antal af vårbyg og vinterhvede (Triticum aestivum L.) sorter blev dyrket i to separate forsøg. I forsøgene er metoden til automatiske billedanalyse af rødder forbedret ved at kombinere multispektralt billede data med en ”Deep learning” algoritme. Derudover analyseres data ved brug af statistiske modeller som indeholder et led til at beskrive positions effekter inden for anlægget. Ved brug af modellerne kan gentageligheden af både rod og skud målinger inden for hver sort estimeres. Der blev fundet en markant sortseffekt i evnen til at udvikle rødder i dybe jordlag for både vinterhvede og vårbyg. Derudover var der en svag, men signifikant sammenhæng mellem evnen til at udvikle dybe rødder og forbedret kerneudbytte og kvælstofoptag. Sorts gentageligheden af de enkelte rodmålinger var dog lave, i forhold til målinger foretaget i skuddet (kerneudbytte, kernestørrelse, protein koncentration). Desuden indeholder denne PhD afhandling en gennemgang af littaruren med fokus på muligheden for at forbedrer udnyttelsen af ressourcer fra dybe jordlag gennem forædling af sorter med forbedret rodvækst i dybe jordlag (kapitel 2). I denne gennemgang af litteraturen medtages observationer fra kapitel 3-5. Begrænsninger og huller i teorien diskuteres. Endvidere adresserer muligheden for sorts x miljø interaktioner mellem studier foretaget i det nyudviklede rod-screenings anlæg og studier foretaget i marken. Derudover bringes anbefalinger til yderligere forskning og forbedringer af rod-screenings konceptet. Dette PhD projekt bidrager med vigtig ny data om sortsforskelle i rodvækst og udnyttelse af ressourcer i dybe jordlag. Tilsvarende målinger kan ikke genskabes under kontrollerede forhold i et drivhus eller laboratorium. Samtidig kan målingerne nu udføres mere effektivt end traditionelle metoder til studier af dyb rodvækst i marken. Selvom yderligere forskning er påkrævet og forbedringer af konceptet er mulige, har data fra dette studie forbedret forståelsen af potentielle forskelle i dyb rodvækst. Dette bidrager med ny og vigtig data der gavner udviklingen af nye robuste og højtydende sorter tilpasset fremtidige dyrkningsforhold.
AB - Planter med dyb rodvækst har adgang til vand og næringsstoffer som ikke er tilgængelige for planter med et overfladisk rod system. Ved mangel på vand og næring øverst i jordprofilen er evnen til at udnyttet ressourcer fra dybe jordlag værdifuld. Det er foreslået at gennem målrettet planteforædling vil medfører at planters evne til at udnytte ressourcer fra dybe jordlag kan forbedres, gennem en modikation af rodsystemet. Traditionelt har planteforædlere dog stort set udelukkende fokuseret på parametre i skuddet for at hæve afgrødernes udbyttepotentiale. Derimod har rodsystemet haft et begrænset fokus, primært fordi der dyrt og arbejdskrævende at kvantificere forskelle i rodvækst i marken. Formålet med dette ph.d.-projekt var at udvikle nye og mere effektive metoder til studier af dyb rodvækst i et miljø tilsvarende markforhold. I Kapitel 3 beskrives et nyt anlæg til screening af sortsforskelle i dyb rodvækst. I anlægget måles rødder direkte ved brug minirhizotroner og et kamera system, og indirekte målinger foretages gennem rod vækst måles gennem røddernes evne til at forsyne skuddet med vand. Vårbyg (Hordeum Vulgare L.) blev dyrket gennem 2 sæsoner og fungerede som en indledende test af konceptet. I hver sæson blev en tørke behandling induceret og der blev observeret en dyb udtørring af jorden som følge af røddernes vækst. Ved brug af et specielt udviklet undervandingssystem blev der induceret en stress-gradient på langs af anlægget. Ved indsamling af planteprøver blev det vist at gradienten medførte en reduktion i kerneudbyttet og kerne størrelse. Derudover havde planterne en højere bladtemperatur i den tørrer del af behandlingen. Desuden blev der fundet en statistisk signifikant sortseffekt i antallet af rødder i dybe jordlag. Forskelle mellem de 2 sæsoner samt variation inden for hvert eksperiment diskuteres. Derudover gives forslag til forbedringer af konceptet. I kapitel 4 beskrives et nyt multi-spektralt kamera system til brug i minrhizotroner beskrevet og valideret. Systemet muliggør automatisk billede genkendelse af levende rødder. Ved brug af fem bølgelængder i det visuelt og infrarøde farvespektrum kan pixels i hvert billede grupperes på baggrund af reflektants. Derudover bliver baggrundsstøj undertrykt ved brug af en filter algoritme inden rodlængden beregnes. Systemet blev testet ved dyrkning af forskellige sorter af vårbyg og rajgræs (Lolium Perenne L.). Automatisk billede genkendelse havde tilsvarende og i nogle tilfælde forbedret evne til at finde sortsforskelle i forhold til en traditionelt manuelle metode basseret på rodtællinger. Fremtidige forbedringer synes mulige ved at reducerer antallet af falske positiver. I kapitel 5 præsenteres et fuldskala eksperiment ved brug af de nyudviklede metoder til studier af dyb rodvækst. Et stort antal af vårbyg og vinterhvede (Triticum aestivum L.) sorter blev dyrket i to separate forsøg. I forsøgene er metoden til automatiske billedanalyse af rødder forbedret ved at kombinere multispektralt billede data med en ”Deep learning” algoritme. Derudover analyseres data ved brug af statistiske modeller som indeholder et led til at beskrive positions effekter inden for anlægget. Ved brug af modellerne kan gentageligheden af både rod og skud målinger inden for hver sort estimeres. Der blev fundet en markant sortseffekt i evnen til at udvikle rødder i dybe jordlag for både vinterhvede og vårbyg. Derudover var der en svag, men signifikant sammenhæng mellem evnen til at udvikle dybe rødder og forbedret kerneudbytte og kvælstofoptag. Sorts gentageligheden af de enkelte rodmålinger var dog lave, i forhold til målinger foretaget i skuddet (kerneudbytte, kernestørrelse, protein koncentration). Desuden indeholder denne PhD afhandling en gennemgang af littaruren med fokus på muligheden for at forbedrer udnyttelsen af ressourcer fra dybe jordlag gennem forædling af sorter med forbedret rodvækst i dybe jordlag (kapitel 2). I denne gennemgang af litteraturen medtages observationer fra kapitel 3-5. Begrænsninger og huller i teorien diskuteres. Endvidere adresserer muligheden for sorts x miljø interaktioner mellem studier foretaget i det nyudviklede rod-screenings anlæg og studier foretaget i marken. Derudover bringes anbefalinger til yderligere forskning og forbedringer af rod-screenings konceptet. Dette PhD projekt bidrager med vigtig ny data om sortsforskelle i rodvækst og udnyttelse af ressourcer i dybe jordlag. Tilsvarende målinger kan ikke genskabes under kontrollerede forhold i et drivhus eller laboratorium. Samtidig kan målingerne nu udføres mere effektivt end traditionelle metoder til studier af dyb rodvækst i marken. Selvom yderligere forskning er påkrævet og forbedringer af konceptet er mulige, har data fra dette studie forbedret forståelsen af potentielle forskelle i dyb rodvækst. Dette bidrager med ny og vigtig data der gavner udviklingen af nye robuste og højtydende sorter tilpasset fremtidige dyrkningsforhold.
UR - https://rex.kb.dk/permalink/f/h35n6k/KGL01012061279
M3 - Ph.D. thesis
BT - Deep Root Phenotyping
PB - Department of Plant and Environmental Sciences, Faculty of Science, University of Copenhagen
ER -