Root contrast enhancement for measurement with optical scanner-based image analysis

摘要

Fine roots (diameter <0.30 mm) account for about 80% of total root length in many species but are often underestimated owing to their small size and near transparency. We have assessed a technique for rapid and accurate estimation of root length when using image analysis. To allow the collection of clear images, several stains were tested to determine when staining is beneficial. Plants of six species (barley (Hordeum vulgare L.), maize (Zea mays L.), oat (Avena sativa L.), soybean (Glycine max (L.) Merr.), strawberry (Fragaria × ananassa), and wheat (Triticum aestivum L.)) were grown for either 3 or 5 weeks after emergence. Roots of five woody species (honey locust (Gleditsia triacanthos L.), Norway maple (Acer platanoides L.), red ash (Fraxinus pennsylvanica Marsh.), silver maple (Acer saccharinum L), and hackberry (Celtis occidentalis L.)) were collected outdoors. Stains were evaluated over a range of concentrations and for three staining times. Root variables were measured with WinRHIZO, an interactive scanner-based image analysis system. Two approaches were used: (i) measuring specific amounts of roots at several stain concentrations and contrasting the results with an unstained control and (ii) measuring unstained roots, recovering the roots, staining them and measuring them again. The tristimulus coordinates (L*a*b*) of unstained root colour were measured by spectrophotometer to determine if root colour might be used as an indicator as to whether or not staining improved the image contrast. Staining improved image contrast and substantially increased measured root length estimates for species with low root contrast (maize, barley, and wheat), gave small improvements for hackberry, Norway maple, and honey locust, but had no effect on other species. Staining for 10 min was sufficient to maximally enhance the image contrast of species with a high proportion of fine roots. Tristimulus coordinates indicated that differences among species correlated with the distribution of root diameter. Establishing whether staining of root samples is required should be accomplished before any study of root systems with a high proportion of fine roots is undertaken.Key words: root measurement, staining, imaging analysis, root colour measurement, stains.Chez plusieurs espèces, les racines fines (diamètre <0,30) constituent environ 80 % de la longueur totale du système racinaire, mais sont souvent sous-estimées à cause de leur petite dimension et leur quasi transparence. Les auteurs ont évalué une technique pour estimer rapidement et précisément la longueur des racines en utilisant l'analyse d'image. Pour obtenir des images claires, les auteurs ont essayé plusieurs colorants afin de déterminer si la coloration est utile. Ils ont cultivé des plants de six espèces (orge (Hordeum vulgare L.), maïs (Zea mays L.), avoine (Avena sativa L.), soja (Glycine max (L.) Merr.), fraise (Fragaria × ananassa ), et blé (Triticum aestivum L.)) pendant 3 à 5 semaines après l'émergence. Ils ont recolté sur le terrain des racines de cinq espèces ligneuses (fèvier épineux (Gleditsia triacanthos L.), érable de Norvège (Acer platanoides L.), frêne rouge (Fraxinus pennsylvanica Marsh.), érable argenté (Acer saccharinum L.), et micocouiller occidental (Celtis ocidentalis L.)). L'évaluation des colorants a porté sur leurs concentrations et sur les durées de traitement. Les mesures des variables racinaires ont été effectuée à l'aide du WinRHIZO, un système d'analyse d' image interactif par scanner. Les auteurs ont utilisé deux approches : (i) mesure de quantités spécifiques de racines avec plusieurs concentrations et confrontation des résultats avec des témoins non colorés; (ii) mesure des racines non colorées, suivie d'une reprise et d'une coloration de ces mêmes racines avant de les mesurer de nouveau. Ils ont mesuré au spectrophotomètre les coordonnées tristimulus (L*a*b*) des couleurs de racines non teintes afin de vérifier si la couleur des racines peut être utilisée comme indicateur servant à déterminer si les colorants améliorent ou non le contraste de l'image. La coloration améliore le contraste de l'image et augmente substantiellement les estimés de longueurs de racines chez les racines ayant peu de contraste (maïs, orge et blé), améliore un peu les mesures sur le micocouiller, l'érable de Norvège et le févier