克里斯托弗•Topp

博士学位

准会员

克里斯·托普在加州奇诺长大,他说自己是一个非常郊区的孩子:

“我知道食物来自7-11。我从来没有想过水从哪里来,食物从哪里来。”直到19岁,当他对自己的鸡肉三明治有了一个令人不安的发现时,他才对事物的起源产生了兴趣,并成为了一名素食主义者。

在乔治亚大学攻读遗传学学位期间,克里斯开始研究植物病原体。他对前沿和新兴技术感兴趣,在美国国家科学基金会资助的植物科学实验室担任研究技术人员,开发人工染色体,这是早期合成生物学的一个例子。读研究生时,他专注于研究玉米,意识到这种作物可能会产生最大的影响:“在美国,每年大约有9000万英亩玉米种植。以每英亩3万株的平均密度计算,那就是2.7万亿株玉米。据说,每年种植的玉米种子比银河系里的星星还要多。”

在杜克大学开始他的职业生涯后,克里斯现在是丹佛斯中心的首席研究员。他和他的实验室一起,试图解开植物隐藏的那一半的秘密。

隐藏的一半

根是植物健康和生产力的基础——就连达尔文也对它们感兴趣——但关于植物的这“隐藏的一半”仍有很多未知之处。树根埋在地下,有时埋在几十英尺深的土壤里。对生长在土壤中的根系的研究通常需要将植物从土壤中移出杀死。这样的研究不能捕捉到根系生长和土壤相互作用的动态性质。

因此,当克里斯了解到专门用于航空航天工业中非常大物体的3D x射线计算机断层扫描(X-ray CT)系统时,他看到了一个新的潜在应用。2016年,在国家科学基金会(National Science Foundation)的资助下,与瓦利特生物科学公司(Valent BioSciences)合作,将其中一台8吨重的机器带到丹佛斯中心。仪器的成功很快导致了更小,但更强大的x射线显微镜来观察根系-微生物的相互作用。现在Topp实验室可以无损地看到根系的三维地下世界,至少对于生长在大型容器中的植物来说是这样。位于丹佛斯中心的Topp实验室的植物科学x射线CT和显微镜设备在世界上是独一无二的

新兴的结果

这项工作已经在“根经济学”领域取得了成果,“根经济学”是对植物根系培养的微生物生态学的研究,包括菌根真菌的共生相互作用。克里斯和他的团队正在研究干旱和其他压力因素的影响。他们可以观察不同的处理如何导致根系生长的变化。他们可以学到更多关于碳封存的知识。

该设施产生的令人瞠目结舌的三维图像还有另一个影响:教育。Topp实验室与丹佛斯中心的科学教育和推广团队合作,开发了一种植物根系的虚拟现实之旅——一种“虫眼”视角——叫做“生根”。它与圣路易斯科学中心合作使用,让孩子们了解植物科学的奇迹。

改善土壤健康

目前,Topp实验室正在与化合价的生物科学在农业、公共卫生和森林卫生市场的生物产品的研究、开发和商业化方面处于世界领先地位。Valent BioSciences正与Chris Topp博士和Topp实验室的研究科学家Keith Duncan合作,利用先进的无损成像技术开展创新性根圈研究。瓦莱特生物科学公司和Topp实验室共同致力于为子孙后代改善土壤健康。

联系克里斯托弗·托普

研究小组
研究总结

Topp实验室部署了基于x射线的成像和分析玉米和其他根系,以开发更健壮和可持续的作物。

克里斯托弗Topp

首席研究员、准会员

乔治Bagnall

研究科学家

马修·鲍尔

实验室助理- PT

米歇尔·曹

研究生

马库斯·格里菲思

研究科学家

莫莉Hanlon

高级研究科学家

安德里亚·约翰斯顿

实验室技术员

杰西Kreder

活的实习生

道居

克拉拉雷柏

高级化验室技术员

亚历山大·刘

研究生

苏密特Mankar

博士后

阿米莉亚莫兰

实验室技术员

尼达Mutan

实验室助理- PT

香港黄

博士后

克里斯托弗Topp

首席研究员、准会员

乔治Bagnall

研究科学家

马修·鲍尔

实验室助理- PT

米歇尔·曹

研究生

马库斯·格里菲思

研究科学家

莫莉Hanlon

高级研究科学家

安德里亚·约翰斯顿

实验室技术员

杰西Kreder

活的实习生

道居

克拉拉雷柏

高级化验室技术员

亚历山大·刘

研究生

苏密特Mankar

博士后

阿米莉亚莫兰

实验室技术员

尼达Mutan

实验室助理- PT

香港黄

博士后

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克里斯目前的研究兴趣是地下表型和描述环境和遗传因素影响根的生长。作为一名博士后学者,他领导了高通量三维根系成像和分析管道的开发,并将其应用于水稻基因组中控制根系结构的区域。长期来看,他的目标是了解基因型如何指导农业重要性状的显型。

Topp实验室采用表型学方法研究作物根系生长动态,以应对干旱和根际竞争等环境压力,以及对氮素吸收等农学重要性状进行人工选择的结果。研究根需要发展成像技术、计算基础设施和统计方法,这些技术可以随着时间的推移和高通量地捕获和分析形态复杂的网络。因此,该实验室结合了成像(光学、x射线CT、PET等)、计算分析和分子生物学定量遗传学的专业知识,以了解根的生长和生理学。

根系统结构(RSA)的遗传基础是什么?

“根系结构”包括根系在生长介质中的时空组织,因此极大地影响植物的资源捕获能力。然而,由于土壤的不透明和复杂的形态对环境敏感,根构型特征是众所周知的难以测量。Topp实验室使用半自动光学断层扫描(OPT)系统,在环境可控条件下对作物根系进行3D表型分析。通过比较针对不同生长性状培育或自然选择的不同基因型,并结合分子分析,我们的目标是识别能够帮助产生更抗胁迫和可持续作物的基因。在一个项目中,我们正在探索氮吸收增强的遗传基础。伊利诺斯州的高蛋白和低蛋白玉米系已经重复选择了100多年的种子蛋白质含量高或低;在此期间,IHP品系进化出了增强的氮清除能力。我们用OPT对这两个系进行表型分析,以揭示主要的结构差异,包括侧根密度。使用现场和实验室表型分析工具结合离子组学,在高分辨率制图人群中识别负责基因的工作正在进行中。

根如何沟通和区分自我与非自我?

根系向根际散发出一系列化学物质,以改变土壤的化学成分,并与微生物和其他根系进行交流。该实验室对这些渗出物在根-根和根-微生物相互作用中的性质感兴趣,以及它们对植物健康和生产力的影响。在一个项目中,我们比较了长期适应高种植密度对玉米根-根相互作用的影响。推动美国玉米产量在过去80年里增长约8倍的一个主要因素是现代品种在增加种植密度的情况下保持高产量的能力。Topp实验室已经表明,密度选择的玉米对种内根系竞争有抑制作用,可能是通过根系分泌物的变化。我们正在结合转录组分析(RNAseq)和OPT宠物,可以实时成像碳分配的动态。通过这种方法,我们可以实时识别根系竞争的转录、形态和生理反应。在另一个项目中,我们使用OPT-PET研究了受不同真菌分离株感染的根系的生长促进特性。

精细尺度动力学:单个根的生长如何与整体协调?

在任何生物网络的研究中都出现了一个基本的问题:“网络拓扑纯粹是局部模式的涌现属性,还是在更高的层次上存在协调?”我们对根系生长动力学提出了同样的问题,并以高时空分辨率研究了局部根系生长模式、全局结构特征和基因表达之间的关系。使用一个24/7拍摄根系图像的自动化系统,我们在大约两周的玉米根系生长期间生成几十个高密度时间序列数据集。和在坚持,该实验室正在使用这些数据集将每个根的生长速度、角度、曲率和分枝模式映射到它们各自的全局结构。然后,他们将把这些分析扩展到根系生长对高蛋白质系和低蛋白质系氮有效性的响应的功能研究,以及对历史玉米和现代玉米材料中相邻根系的响应。

什么是多年生?

这种多年生的生命形式为农业提供了许多可取的特性,包括快速的早季生长以增加生物量,以及通过提供更多的水和营养资源来增强抗应力能力和在边缘土壤中生长的成熟根系。尽管每个主要作物品种都有一个紧密的多年生亲缘,但除了少数研究表明少数主要基因决定了性状外,人们对多年生的机制知之甚少。Topp实验室正在应用地下表型学方法,在玉米(野生亲缘种)和高粱(野生亲缘种)定位群体中识别控制多年生性的基因。

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