根系表型成像系統(tǒng)介紹

根系是植物主要吸水,、營養(yǎng)物并支撐植物地上部分的重要器官,是植物研究的熱點之一,，也近年來植物表型學和作物表型組學研究熱點。通過對根系監(jiān)測和研究，能優(yōu)化水肥方案,，促進農(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,、土壤修復等,。但長期以來，由于植物根系生長環(huán)境的復雜性和不透明性,導致植物根系研究發(fā)展相對緩慢,，對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,，嚴重阻礙了根系研究的深入開展,。《科學》雜志曾出版專輯認為,，“人類對自己腳下土壤的了解遠遠不及對宇宙的了解”,，更是佐證了地下根系研究、生態(tài)學研究難度之大,。因此,，對根系研究方法的選擇和改進,，對科研結(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,、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)和計算機斷層掃描成像技術(shù)等，非成像方法包括根系功能生理表型測量技術(shù)等,，根據(jù)植物的生長特性以及生長環(huán)境狀況,利用多種成像模塊監(jiān)測根系發(fā)育且不破壞其生長,。

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，無論對于淺根系園藝蔬菜,、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)實性研究意義,。目前在根系研究尤其是表型研究領(lǐng)域中,，對于草類、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根系進行研究的過程中,，可以使用原位的方式、高分辨率,、無損傷的進行監(jiān)測,，多光譜成像技術(shù)，因具有圖譜合一的特點,，今年成為植物科學研究的熱點,。

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,，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)（圖片來自歌本哈根大學,、禁止盜圖、侵權(quán)必究）：

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

Plantarray根系功能生理表型測量系統(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量，由以色列希伯來大學開發(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以及植物逆境生物學研究通用平臺,，也可用于根系生理表型測量。該系統(tǒng)可持續(xù),、實時測量位于不同環(huán)境條件下,、陣列中每個植株的土壤-植物-空氣（SPAC）中的即時水流動。直接測量根系和莖葉系統(tǒng)水平衡和生物量增加,，計算植物生理參數(shù)以及植物對動態(tài)環(huán)境的反饋,。系統(tǒng)以有效、易用,、無損的方式針對植物對不同處理的反應,、預測植物生長和生產(chǎn)力進行定量比較，廣泛應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植物根系計算機CT斷層掃描系統(tǒng)：

基于X光的計算機斷層掃描技術(shù)（CT）廣泛應用于科學研究各個領(lǐng)域,，如制藥,、納米科學、材料科學以及植物科學等領(lǐng)域,。得益于X光CT技術(shù),，在農(nóng)業(yè)以及植物科研進展也十分迅速。X光CT成像方法使得高通量,、無損、無干擾測量植物根系統(tǒng)成為可能,，也使得植物生長期間對下游復雜機制的研究成為可能,。科研人員經(jīng)過對植物根系3D CT斷層掃描的有效的統(tǒng)計以及計算方法進行了回顧,?；趫D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)提取高層級表型性狀。

在設(shè)備開發(fā)領(lǐng)域,，德國Frauhofer研究院專門成立的植物表型研究團隊開發(fā)了系列適用植物科學研究的計算機斷層掃描系統(tǒng),，如便攜式計算機掃描系統(tǒng)，臺式高精度計算機斷層掃描系統(tǒng)以及落地式大成像面積計算機斷層掃描系統(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)應用在植物的表型研究上,。與傳統(tǒng)醫(yī)學CT不同，植物CT研究需要*算法和軟件等,。

Frauhofer植物計算機斷層掃描表型成像系統(tǒng)采用微焦點X射線成像原理進行分辨率三維成像,，可以在不破壞樣品（無需染色、無需切片）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胞結(jié)構(gòu)，近年來被廣泛應用于結(jié)構(gòu)學,、組織學,、生物學特別是古生物學等研究領(lǐng)域，例如花,、果實,、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，將致力促進其在植物根系表型組學以及生理生態(tài)領(lǐng)域的應用,。