根系表型成像系統介紹

根系是植物主要吸水、營養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。通過對根系監測和研究，能優化水肥方案，促進農作物、林業等產業增產增效，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境的復雜性和不透明性,導致植物根系研究發展相對緩慢，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、傳統可見光相機成像法等傳統方法，采樣破壞性大、工作量大、區分效果不佳，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，對科研結果影響巨大。

根系成像技術的出現和快速發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、X射線掃描技術、核磁共振成像技術、探地雷達、熒光成像技術、激光共聚焦成像技術、多光譜成像技術、高光譜成像技術和計算機斷層掃描成像技術等，非成像方法包括根系功能生理表型測量技術等，根據植物的生長特性以及生長環境狀況,利用多種成像模塊監測根系發育且不破壞其生長。

Videometer原位根系表型成像系統：

丹麥Videometer公司開發的原位根系多光譜表型成像系統，是做根系研究的革新性專業設備，無論對于淺根系園藝蔬菜、作物種質資源、草種質資源還是深根系林木種質資源，都具有現實性研究意義。目前在根系研究尤其是表型研究領域中，對于草類、玉米根系和小麥根系所作的研究比較多，但大多還采用傳統不可重復的挖掘方法。植物根系原位多光譜表型成像系統出現，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、無損傷的進行監測，多光譜成像技術，因具有圖譜合一的特點，今年成為植物科學研究的熱點。

該系統分為單通道原位根系多光譜微根管表型成像系統以及多通道原位根系多光譜微根管表型成像系統，前者可以便攜攜帶，是傳統RGB成像的跨越和升級，后者主要用于設施規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：

多通道原位根系多光譜表型成像系統：

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（圖片來自歌本哈根大學、禁止盜圖、侵權必究）：

丹麥根本哈根大學科學家等利用多光譜成像系統對植物植株、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，定期通過根窗透明面對根系成像分析。原始光譜圖像經過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，得到根系的形態學數據。

Plantarray根系功能生理表型測量系統：

另一種根系研究的系統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，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。該系統可持續、實時測量位于不同環境條件下、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水平衡和生物量增加，計算植物生理參數以及植物對動態環境的反饋。系統以有效、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/養分、CO2指示、植物健康等領域的研究。

Frauhofer植物根系計算機CT斷層掃描系統：

基于X光的計算機斷層掃描技術（CT）廣泛應用于科學研究各個領域，如制藥、納米科學、材料科學以及植物科學等領域。得益于X光CT技術，在農業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。科研人員經過對植物根系3D CT斷層掃描的有效的統計以及計算方法進行了回顧。基于圖像的植物根系分析方法劃分如下(1) 根分區切割，例如，（1）將根系與非根背景區分；(2)根系統重建；(3)提取高層級表型性狀。

在設備開發領域，德國Frauhofer研究院專門成立的植物表型研究團隊開發了系列適用植物科學研究的計算機斷層掃描系統，如便攜式計算機掃描系統，臺式高精度計算機斷層掃描系統以及落地式大成像面積計算機斷層掃描系統以及高通量根系表型斷層掃描系統，Frauhofer專門成立的植物表型CT研究組致力于CT技術應用在植物的表型研究上。與傳統醫學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，顯示樣品內部詳盡的三維信息，并進行結構、密度的定量分析，適用于觀察植物化石樣品結構和植物活體組織的細胞結構，近年來被廣泛應用于結構學、組織學、生物學特別是古生物學等研究領域，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領域的應用。