High-throughput assessment of anemophilous pollen size and variability using imaging cytometry

IF 8.3 1区生物学 Q1 PLANT SCIENCES

New Phytologist Pub Date : 2025-03-28 DOI:10.1111/nph.70070

Thomas Hornick, W. Stanley Harpole, Susanne Dunker

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利用成像细胞术高通量评估风花粉大小和变异性

花粉大小数据对群落和功能生态学、进化生物学、宏观生态学或古植物学具有重要意义，可用于区分物种、量化物种丰度、探索和预测物种时空分布，以及详细了解潜在的生态和进化过程(Mäkelä， 1996；时候,2000;Sork et al., 2002；博雷利,2012;Theuerkauf,Couwenberg, 2022;Wei et al., 2023)。此外，向公众通报空气中花粉的致敏性依赖于花粉大小数据，这是模拟空气中花粉运输（即花粉预测）的一个参数（douk等人，2022）。花粉大小信息可以进一步用于探索植物生殖策略和营养策略之间的资源分配(crude &；Lyon, 1985)或可应用于农业系统，以评估植物的倍性水平和育种系统的进化(Johansen &；von Bothmer, 1994)。花粉大小估计可作为限制转基因生物传播距离的决定性参数应用于植物栽培，或可用于区分栽培品种和野生型(Chaturvedi et al., 1998；Joly et al., 2007；威廉姆斯,2010;Yang et al., 2012；Hofmann et al., 2014)。然而，花粉大小数据是有限的，通常不能提供变异的估计或只提供分类花粉大小范围(例如TRY （Kattge等人，2020),PalDat（2000起，www.paldat.org）和pollen - wiki (https://pollen.tstebler.ch/MediaWiki/index.php?title=Pollenatlas)）。花粉大小主要是通过使用光或扫描电子显微镜进行耗时的人工测量来量化的，为此，样品被处理和/或包埋，例如用酒精、甘油果冻、硅油或丙酮溶解，这可能会通过收缩或膨胀影响颗粒大小的估计(Mäkelä， 1996；Hayat et al., 2009；Beug, 2015;Bolinder等，2015；Halbritter et al., 2018；Lu et al., 2018,2022)。通常，10-50个随机选择的谷物只在有限的地点和年份进行测量(Sótonyi et al., 2000；Hayat et al., 2009；大厅,沃尔特,2011;Beug, 2015;Lu et al., 2022)，因此限制了我们对花粉大小的种间和种内变异以及时空变异的认识。为了检测更多数量的花粉粒的大小，使用Classifynder自动孢粉学系统(Holt &；Bebbington, 2014)，激光衍射粒度测定法（Bell等人，2018）或基于网络的工具，用于分析自动化显微系统的图像（Theuerkauf等人，2024）。此外，使用成像流式细胞术（IFC），可用于环境监测任务的各种应用(Hofmann等人，2021；Dunker et al., 2022)已经被证明可以对花粉进行高通量成像，并将这些图像和图像特征用于使用卷积神经网络对35种动物（即昆虫分散）物种（Dunker et al., 2021）和53种花粉标准（Barnes et al., 2023）进行自动物种识别。与Dunker等人（2021）和Barnes等人（2023）相比，我们在这里使用IFC来探索在系统发育背景下，主要在莱比锡市的城市环境中跨不同地点和/或年份取样的100种风性植物的花粉颗粒大小的种间和种内变异性。我们提出了花粉取样、样品制备、IFC数据分析的详细工作流程，并推荐了一种门控策略和图像掩码计算，用于估计花粉图像的大小特征，但也可用于性状研究的一般应用，以揭示其他图像特征。由于花粉大小在样品处理和测量过程中可能会因各种因素而发生变化，如前所述，会导致收缩或膨胀，因此我们比较了IFC数据与先前发表的不同来源的数据的一致性，这些数据在花粉样品处理方案和使用传统光学显微镜测量时存在偏差(Fitter &；泥炭,1994;Beug, 2015;Kattge et al., 2020；Stebler, 2022)。最后，我们探讨了桦树（Betula pendula ROTH）花粉的年际大小变化，举例说明了IFC在评估种内甚至个体内花粉大小变化方面的应用。在我们的数据集中，白桦（Betula pendula ROTH）的单株数量最多，与孢粉学和空气生物学的各个领域特别相关(Cariñanos &；Marinangeli, 2021;douk et al., 2022；Theuerkauf et al., 2024)。

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New Phytologist 生物-植物科学

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期刊介绍： New Phytologist is an international electronic journal published 24 times a year. It is owned by the New Phytologist Foundation, a non-profit-making charitable organization dedicated to promoting plant science. The journal publishes excellent, novel, rigorous, and timely research and scholarship in plant science and its applications. The articles cover topics in five sections: Physiology & Development, Environment, Interaction, Evolution, and Transformative Plant Biotechnology. These sections encompass intracellular processes, global environmental change, and encourage cross-disciplinary approaches. The journal recognizes the use of techniques from molecular and cell biology, functional genomics, modeling, and system-based approaches in plant science. Abstracting and Indexing Information for New Phytologist includes Academic Search, AgBiotech News & Information, Agroforestry Abstracts, Biochemistry & Biophysics Citation Index, Botanical Pesticides, CAB Abstracts®, Environment Index, Global Health, and Plant Breeding Abstracts, and others.