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根系是植物主要吸水、營(yíng)養(yǎng)物并支撐植物地上部分的重要器官,是植物研究的熱點(diǎn)之一,，也近年來(lái)植物表型學(xué)和作物表型組學(xué)研究熱點(diǎn),。通過(guò)對(duì)根系監(jiān)測(cè)和研究，能優(yōu)化水肥方案,，促進(jìn)農(nóng)作物,、林業(yè)等產(chǎn)業(yè)增產(chǎn)增效，加速植物,、作物育種,，有利于土地荒漠化治理、土壤修復(fù)等,。但長(zhǎng)期以來(lái),，由于植物根系生長(zhǎng)環(huán)境的復(fù)雜性和不透明性,導(dǎo)致植物根系研究發(fā)展相對(duì)緩慢，對(duì)根系研究主要是采用挖掘法,、土鉆法,、土柱法、容器法,、剖面法,、傳統(tǒng)可見光相機(jī)成像法等傳統(tǒng)方法，采樣破壞性大,、工作量大,、區(qū)分效果不佳,，嚴(yán)重阻礙了根系研究的深入開展?！犊茖W(xué)》雜志曾出版專輯認(rèn)為,，“人類對(duì)自己腳下土壤的了解遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及對(duì)宇宙的了解"，更是佐證了地下根系研究,、生態(tài)學(xué)研究難度之大,。因此，對(duì)根系研究方法的選擇和改進(jìn),，對(duì)科研結(jié)果影響巨大,。

根系成像技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展為植物根系的研究提供了更直觀、有效的研究方法,，如中子成像技術(shù),、X射線掃描技術(shù)、核磁共振成像技術(shù),、探地雷達(dá),、熒光成像技術(shù)、激光共聚焦成像技術(shù),、多光譜成像技術(shù),、高光譜成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)等，非成像方法包括根系功能生理表型測(cè)量技術(shù)等,，根據(jù)植物的生長(zhǎng)特性以及生長(zhǎng)環(huán)境狀況,利用多種成像模塊監(jiān)測(cè)根系發(fā)育且不破壞其生長(zhǎng),。

根系表型成像分析研究平臺(tái)介紹

Videometer原位根系表型成像系統(tǒng)

丹麥Videometer公司開發(fā)的原位根系多光譜表型成像系統(tǒng)，是做根系研究的革新性專業(yè)設(shè)備,，無(wú)論對(duì)于淺根系園藝蔬菜、作物種質(zhì)資源,、草種質(zhì)資源還是深根系林木種質(zhì)資源,，都具有現(xiàn)實(shí)性研究意義。目前在根系研究尤其是表型研究領(lǐng)域中,，對(duì)于草類、玉米根系和小麥根系所作的研究比較多,，但大多還采用傳統(tǒng)不可重復(fù)的挖掘方法,。植物根系原位多光譜表型成像系統(tǒng)出現(xiàn)，改變了這種情況,，使得植物研究人員在對(duì)根系進(jìn)行研究的過(guò)程中,，可以使用原位的方式、高分辨率,、無(wú)損傷的進(jìn)行監(jiān)測(cè),，多光譜成像技術(shù),，因具有圖譜合一的特點(diǎn)，今年成為植物科學(xué)研究的熱點(diǎn),。

該系統(tǒng)分為單通道原位根系多光譜微根管表型成像系統(tǒng)以及多通道原位根系多光譜微根管表型成像系統(tǒng),，前者可以便攜攜帶，是傳統(tǒng)RGB成像的跨越和升級(jí),，后者主要用于設(shè)施規(guī)劃中的高通量根系成像研究,。

單通道原位根系多光譜表型成像系統(tǒng)

多通道原位根系多光譜表型成像系統(tǒng)

5個(gè)波段下多光譜成像（405、450,、590,、660、940）

5波段多光譜假彩RGB成像圖

四通道多光譜根系成像系統(tǒng)（圖片來(lái)自歌本哈根大學(xué),、禁止盜圖,、侵權(quán)必究）

丹麥根本哈根大學(xué)科學(xué)家等利用多光譜成像系統(tǒng)對(duì)植物植株、根系進(jìn)行成像研究,，取得了前瞻性的成果,。該研究以深根系大麥為研究對(duì)象，將大麥下方埋了有3m長(zhǎng)的微根管,，使用Videometer公司的Videometer MR多光譜成像系統(tǒng),，定期通過(guò)根窗透明面對(duì)根系成像分析。原始光譜圖像經(jīng)過(guò)Videometer自帶軟件一系列算法處理后得到目標(biāo)根系圖像,，隨后進(jìn)行閾值分割,、模糊聚類等模型分析，得到根系的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù),。

Plantarray根系功能生理表型測(cè)量系統(tǒng)

另一種根系研究的系統(tǒng)性方法是根系功能生理表型測(cè)量,，由以色列希伯來(lái)大學(xué)開發(fā)，是一種全局性的研究方法,，在植物根系研究上得到了廣泛的應(yīng)用,，發(fā)表了大量研究成果。

Plantarray是一款基于稱重的高通量,、多傳感器生理表型平臺(tái)以及植物逆境生物學(xué)研究通用平臺(tái),，也可用于根系生理表型測(cè)量。該系統(tǒng)可持續(xù),、實(shí)時(shí)測(cè)量位于不同環(huán)境條件下,、陣列中每個(gè)植株的土壤-植物-空氣（SPAC）中的即時(shí)水流動(dòng)。直接測(cè)量根系和莖葉系統(tǒng)水平衡和生物量增加,，計(jì)算植物生理參數(shù)以及植物對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的反饋,。系統(tǒng)以有效、易用,、無(wú)損的方式針對(duì)植物對(duì)不同處理的反應(yīng),、預(yù)測(cè)植物生長(zhǎng)和生產(chǎn)力進(jìn)行定量比較,，廣泛應(yīng)用于生物脅迫和非生物脅迫以及植物栽培加速育種研究等，脅迫研究涵蓋干旱脅迫,、鹽脅迫,、重金屬脅迫、熱,、冷脅迫,、光脅迫以及灌溉/養(yǎng)分、CO2指示,、植物健康等領(lǐng)域的研究,。

Frauhofer植物根系計(jì)算機(jī)CT斷層掃描系統(tǒng)

基于X光的計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CT）廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究各個(gè)領(lǐng)域，如制藥,、納米科學(xué),、材料科學(xué)以及植物科學(xué)等領(lǐng)域。得益于X光CT技術(shù),，在農(nóng)業(yè)以及植物科研進(jìn)展也十分迅速,。X光CT成像方法使得高通量、無(wú)損,、無(wú)干擾測(cè)量植物根系統(tǒng)成為可能,，也使得植物生長(zhǎng)期間對(duì)下游復(fù)雜機(jī)制的研究成為可能?？蒲腥藛T經(jīng)過(guò)對(duì)植物根系3D CT斷層掃描的有效的統(tǒng)計(jì)以及計(jì)算方法進(jìn)行了回顧,。基于圖像的植物根系分析方法劃分如下(1) 根分區(qū)切割,，例如,，（1）將根系與非根背景區(qū)分；(2)根系統(tǒng)重建,；(3)提取高層級(jí)表型性狀,。

在設(shè)備開發(fā)領(lǐng)域，德國(guó)Frauhofer研究院專門成立的植物表型研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了系列適用植物科學(xué)研究的計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng),，如便攜式計(jì)算機(jī)掃描系統(tǒng),，臺(tái)式高精度計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)以及落地式大成像面積計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)以及高通量根系表型斷層掃描系統(tǒng)，F(xiàn)rauhofer專門成立的植物表型CT研究組致力于CT技術(shù)應(yīng)用在植物的表型研究上,。與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)CT不同,，植物CT研究需要*算法和軟件等。

Frauhofer植物計(jì)算機(jī)斷層掃描表型成像系統(tǒng)采用微焦點(diǎn)X射線成像原理進(jìn)行分辨率三維成像,，可以在不破壞樣品（無(wú)需染色、無(wú)需切片）的情況下,，獲得高精度三維圖像,，顯示樣品內(nèi)部詳盡的三維信息,，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)、密度的定量分析,，適用于觀察植物化石樣品結(jié)構(gòu)和植物活體組織的細(xì)胞結(jié)構(gòu),，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)學(xué)、組織學(xué),、生物學(xué)特別是古生物學(xué)等研究領(lǐng)域,，例如花、果實(shí),、種子,、根系等研究。

X光可幫助研究者看到地下情形,。上圖是在不同發(fā)育階段的土豆

北京博普特科技有限公司擁有系列根系表型成像分析研究平臺(tái),，將致力促進(jìn)其在植物根系表型組學(xué)以及生理生態(tài)領(lǐng)域的應(yīng)用。