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(diǎn)之一，也近年來植物表型學(xué)和作物表型組學(xué)研究熱點(diǎn)。通過對根系監(jiān)測和研究，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。但長期以來，由于植物根系生長環(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(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。《科學(xué)》雜志曾出版專輯認(rèn)為，“人類對自己腳下土壤的了解遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及對宇宙的了解"，更是佐證了地下根系研究、生態(tài)學(xué)研究難度之大。因此，對根系研究方法的選擇和改進(jìn)，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(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(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根系進(jìn)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(jìn)行監(jiān)測，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，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(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(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(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以及植物逆境生物學(xué)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(shí)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(yīng)、預(yù)測植物生長和生產(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植物根系計算機(jī)CT斷層掃描系統(tǒng)：

基于X光的計算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CT）廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究各個領(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(fù)雜機(jī)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(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(tuán)隊開發(fā)了系列適用植物科學(xué)研究的計算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)，如便攜式計算機(jī)掃描系統(tǒng)，臺式高精度計算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)以及落地式大成像面積計算機(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(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，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。