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根系是植物主要吸水、营养物并支撑植物地上部分的重要器官,是植物研究的热点之一，也近年来植物表型学和作物表型组学研究热点。通过对根系监测和研究，能优化水肥方案，促进农作物、林业等产业增产增效，加速植物、作物育种，有利于土地荒漠化治理、土壤修复等。但长期以来，由于植物根系生长环境的复杂性和不透明性,导致植物根系研究发展相对缓慢，对根系研究主要是采用挖掘法、土钻法、土柱法、容器法、剖面法、传统可见光相机成像法等传统方法，采样破坏性大、工作量大、区分效果不佳，严重阻碍了根系研究的深入开展。《科学》杂志曾出版专辑认为，“人类对自己脚下土壤的了解远远不及对宇宙的了解”，更是佐证了地下根系研究、生态学研究难度之大。因此，对根系研究方法的选择和改进，对科研结果影响巨大。

根系成像技术的出现和快速发展为植物根系的研究提供了更直观、有效的研究方法，如中子成像技术、X射线扫描技术、核磁共振成像技术、探地雷达、荧光成像技术、激光共聚焦成像技术、多光谱成像技术、高光谱成像技术和计算机断层扫描成像技术等，非成像方法包括根系功能生理表型测量技术等，根据植物的生长特性以及生长环境状况,利用多种成像模块监测根系发育且不破坏其生长。

原位根系多光谱微根管表型成像系统

丹麦Videometer公司开发的原位根系多光谱表型成像系统，是做根系研究的革新性专业设备，无论对于浅根系园艺蔬菜、作物种质资源、草种质资源还是深根系林木种质资源，都具有现实性研究意义。目前在根系研究尤其是表型研究领域中，对于草类、玉米根系和小麦根系所作的研究比较多，但大多还采用传统不可重复的挖掘方法。植物根系原位多光谱表型成像系统出现，改变了这种情况，使得植物研究人员在对根系进行研究的过程中，可以使用原位的方式、高分辨率、无损伤的进行监测，多光谱成像技术，因具有图谱合一的特点，今年成为植物科学研究的热点。

该系统分为单通道原位根系多光谱微根管表型成像系统以及多通道原位根系多光谱微根管表型成像系统，前者可以便携携带，是传统RGB成像的跨越和升级，后者主要用于设施规划中的高通量根系成像研究。

单通道原位根系多光谱表型成像系统

多通道原位根系多光谱表型成像系统

5个波段下多光谱成像（405、450、590、660、940）

5波段多光谱假彩RGB成像图

四通道多光谱根系成像系统（图片来自歌本哈根大学、禁止盗图、侵权必究）

丹麦根本哈根大学科学家等利用多光谱成像系统对植物植株、根系进行成像研究，取得了前瞻性的成果。该研究以深根系大麦为研究对象，将大麦下方埋了有3m长的微根管，使用Videometer公司的Videometer MR多光谱成像系统，定期通过根窗透明面对根系成像分析。原始光谱图像经过Videometer自带软件一系列算法处理后得到目标根系图像，随后进行阈值分割、模糊聚类等模型分析，得到根系的形态学数据。

研究案例

Construction of a large-scale semi-feld facility to study genotypic diferences in deep root growth and resources acquisition

摘要

背景:根是植物的关键器官，要实现产量稳定，有效利用来自土壤资源至关重要。但作物基因型之间的根性状表型变异多数还未知，田间根系发育筛查昂贵且耗力。因此，函待开发在田间进行全生长植物根系性状、特别是位于土壤深层的根系研究的新方法。

结果:研究人员开发了一种新型表型设施(RadiMax)用于在半田间条件下研究根系生长以及土壤资源获取。设施包括4个单元，每个单元面积为400m2，分别安装有150根微根管，允许对0.4 m–1.8 m或0.7 m–2.8 m土壤深度间隔的根进行观察。根系观测通过多光谱微根光成像系统实现。植物生长行与水分梯度垂直，设施安装有多深度亚灌溉系统以及移动雨棚。水梯度可实现将根观测与冠层胁迫反应进展相关联。

结论:要验证以上技术概念，选择了栽培种春大麦(Hordeum vulgare L.) ，种植在该系统中进行为期两季的研究。利用该系统可观测到不同深根生长基因型差异，在水梯度下，可观测到地上部的生理反应。尽管进一步技术开发和技术验证还在进行中，半田间设施不失为一种在土壤深层鉴别土壤资源有效利用的根基因差异的新方法。

原位根系多光谱微根管表型成像系统成像与图像切割

利用该系统发表的文献

1、A multispectral camera system for automated minirhizotron image analysis 

2、Construction of a large-scale semi-field facility to study genotypic differences in deep root growth and resources acquisition

3、Genomic prediction of yield and root development in wheat under changing water availability

根系功能生理表型测量系统

另一种根系研究的系统性方法是根系功能生理表型测量，由以色列希伯来大学开发，是一种全局性的研究方法，在植物根系研究上得到了广泛的应用，发表了大量研究成果。

Plantarray是一款基于称重的高通量、多传感器生理表型平台以及植物逆境生物学研究通用平台，也可用于根系生理表型测量。该系统可持续、实时测量位于不同环境条件下、阵列中每个植株的土壤-植物-空气（SPAC）中的即时水流动。直接测量根系和茎叶系统水平衡和生物量增加，计算植物生理参数以及植物对动态环境的反馈。系统以有效、易用、无损的方式针对植物对不同处理的反应、预测植物生长和生产力进行定量比较，广泛应用于生物胁迫和非生物胁迫以及植物栽培加速育种研究等，胁迫研究涵盖干旱胁迫、盐胁迫、重金属胁迫、热、冷胁迫、光胁迫以及灌溉/养分、CO2指示、植物健康等领域的研究。 

图1.干旱点测量模型：在土壤高水量条件下，水并非限制因子，因此植物1(P1) 和植物2 (P2)并未限制其冠层对水的需求。在水缺乏情况下，植物根很难获得水，因此P1植物比P2更快受到水限制。

图2.全部期间2种西红柿栽培种的全植物蒸腾-土壤水含量的函数：(a) 夏天和(b) 冬天干

植物根系计算机CT断层扫描系统

基于X光的计算机断层扫描技术（CT）广泛应用于科学研究各个领域，如制药、纳米科学、材料科学以及植物科学等领域。得益于X光CT技术，在农业以及植物科研进展也十分迅速。X光CT成像方法使得高通量、无损、无干扰测量植物根系统成为可能，也使得植物生长期间对下游复杂机制的研究成为可能。科研人员经过对植物根系3D CT断层扫描的有效的统计以及计算方法进行了回顾。基于图像的植物根系分析方法划分如下(1) 根分区切割，例如，（1）将根系与非根背景区分；(2)根系统重建；(3)提取高层级表型性状。 

在设备开发领域，德国Frauhofer研究院专门成立的植物表型研究团队开发了系列适用植物科学研究的计算机断层扫描系统，如便携式计算机扫描系统，台式高精度计算机断层扫描系统以及落地式大成像面积计算机断层扫描系统以及高通量根系表型断层扫描系统，Frauhofer专门成立的植物表型CT研究组致力于CT技术应用在植物的表型研究上。与传统医学CT不同，植物CT研究需要独特算法和软件等。

Frauhofer植物计算机断层扫描表型成像系统采用微焦点X射线成像原理进行分辨率三维成像，可以在不破坏样品（无需染色、无需切片）的情况下，获得高精度三维图像，显示样品内部详尽的三维信息，并进行结构、密度的定量分析，适用于观察植物化石样品结构和植物活体组织的细胞结构，近年来被广泛应用于结构学、组织学、生物学特别是古生物学等研究领域，例如花、果实、种子、根系等研究。

X光可帮助研究者看到地下情形。上图是在不同发育阶段的土豆

软件自动鉴别果实和根部结构的纵横比以及植物器官的重量。要确保声明可靠性，研究者对试验系列进行数周、数月的观测。在实验结束时，利用一段时间的柱状图，研究者可以弄清楚植物如何进行地下生长发育。Joelle Claussen解释道，他已经在X光技术研发中心测量了数以千计的植物。尽管该所就检测系列取得较高成功率，也无法完全模拟温室环境中真实的环境影响。这就是为何生物学家要在真实环境条件下对齐进行验证的原因，Claussen表示。

参考文献

1、X-Ray CT Phenotyping Reveals Bi-Phasic Growth Phases of Potato Tubers Exposed to Combined Abiotic Stress

2、Semiautomated 3D Root Segmentation and evalsuation Based on X-Ray CT Imagery

3、Quantification of seed performance: non-invasive determination of internal traits using computed tomography

Conference: 14th International Conference on Precision Agriculture

4、Direct comparison of MRI and X-ray CT technologies for 3D imaging of root systems in soil: Potential and challenges for root trait quantification

北京欧亚国际科技有限公司拥有系列植物根系研究设备和系统，将致力促进其在植物根系表型组学以及生理生态领域的应用。