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原位根系成像系统研究是当前一个研究的热点与难点，目前较好的方法有原位微根管多光谱表型成像系统VideometerMR，该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。

1、多光谱成像技术（含可见光）在根系原位研究中的应用

原位根系多光谱微根管表型成像系统

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

根系是植物主要吸水、营养物等器官，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，有利于土地荒漠化治理、土壤修复等。但长期以来，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。

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5波段多光谱根系微根管成像系统 

原位根系多光谱微根管表型成像系统成像与图像切割

2、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。

主要优势

加速农业研究、缩短新产品推向市场时间

定量、确定、可信结果

全植株、根系、枝叶系统、

提升科研水平环境测量

多种产品和环境检测验证

聚焦田间实验

持续、实时生物反馈

模块设计、分步预算

无需基础设施投资

主要特征

Plantarray系统技术参数

测量单元配有3个数字通道、1个模拟通道、1个称重式蒸渗仪通道，所有的传感器可以同时连续工作；

高精度称重模块，最大测重量达50kg（测量范围依具体配置而定），测量精确度±0.02%称重量；

植物生长容器满足多种植物的生长需求，容积2-60L，采用防漏水、溅水设计；

可根据植物生长时间或生长容器重量选择灌溉模式，灌溉系统采用精准的滴灌控制，能够精确的控制浇水、施肥或施用生物激素的量；

多种土壤类、气象类高精度传感器备选，用于测量土壤含水量、温度、电导率，空气温湿度、PAR、气压、NDVI等参数；

直接测量参数：

重量、空气湿度、空气温度、气压、辐射（PAR）、土壤水分、土壤电导率、土壤温度、日蒸腾

计算参数：

植物生物量增益、日蒸腾、水分利用效率、气孔导度、抗胁迫因子、水分相对含量、 根穿透力、根系水通量、VPD。

根系生理表型测量

根在水吸收中的作用非常重要，但是，因根位于地下，要想持续对其进行监控非常具有挑战性，特别是采用无损监测方法。

使用嵌入土壤的传感器，可测量土壤湿度、温度以及电导率，同时测量其它环境信号和生理参数，Plantarray可对多个功能性状进行定量评估，例如流入根的水分-土壤传感器可持续、精确测量水流入每株植株的速率。

干旱临界点

植物土壤水流入以及流出的即时平衡（蒸腾）提供了不同研究植物和处理条件下的冠层相对水含量（RWC）和其变异。植物RWC认为是植物胁迫状态的比较参照点。

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。Gosa et al., Plant Science (2018)

今天，多数根胁迫相关特征是形态学上的。但是，可在胁迫下鉴别并比较植物根系的生理特征系统更有价值。 

为何如此重要?

界定干旱的一个农艺指标是土壤水含量变成植物蒸腾的限制节点。干旱起始点与根利用任何可获取水的能力高度相关。因此，具有更好根系性能的植物可能是由于根结构、解剖形态结构、生物化学或物理机制所致，干旱点值会较低（见图2），韧性更佳（再次浇水后蒸腾恢复速率）。

另外的根性能功能表型鉴定基于根日常流动速率，据报道，具有高导水率的根在良好灌溉和盐条件下具有更高的蒸腾速率，从而增强光合作用以及增加产量。 

近年来，科研主要研究精力都投入到植物胁迫反应上面。但是，尽管基因工具有了可观的改进，在研究投资和实际耐胁迫作物市场投放之间还有巨大的鸿沟。主流观点接受根在植物胁迫反应中扮演了重要角色。除了经典的根表型研究方法（主要基于根形态学），鉴别根生理标记在有效过程中很重要，也便利了胁迫理想型植物的培育。

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

在鉴别关键点(Ɵcrit)，土壤水含量在胁迫下，成为植物蒸腾的限制因子。研究使用了土壤湿度探针持续、精确测量究竟何种水流入单株植物的根部(Jr) 。同时进行流速、其它环境信号以及生理参数测量，允许对不同功能性状包括Ɵcrit进行比较。该方法为用户提供了选择性能佳的根系的能力，特别是干旱条件下，按照生理性状进行比较。 

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。到目前为止，已经采集到大量植物CT扫描数据，但如何有效、有效对其进行分析，还面临着挑战。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研究院是世界知名的应用技术研究院，很多工业技术都源自于该研究所。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研究院在该研究领域位于世界前沿。

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。

Frauhofer植物计算机断层扫描系统优点

1.该无损监测系统可适用于不同植物

2.系统可快速有效扫描全植株

3.借助温室以及数个环境箱，可模拟真实环境条件

气候变化的后果极其复杂，对发展中国家影响更大。例如，气温上升可使一些区域不适合居住，切断了当地居民获得水源的主要通道。即便发达国家也难以逃脱气候变化影响，被迫改变思维方式-特别是农业的思维方式迫在眉睫。现代植物栽培种不能快速适应气候变化影响，农民需要栽种能调整适应了当地主要条件的植物品种。这是为何研究者X光研发技术中心EZRT专注于无损监测以及植物分析。

许多植物品系（如土豆、小麦、水稻和木薯）都在努力适应世界气候条件变化条件。要寻找到适当应对应用环境条件改变的方式，Frauhofer研究人员分析了不同植物品系如何应对环境冲击。表型是一种鉴别植物的方式，例如，鉴别在高温条件下仍能有足够产量的植物。

实际环境下植物分析

理论上，人们可在田间通过人工视觉简单观测植物。但该方法为主观方法，并不精确。如果一个人连续观测数百个植株，很容易看出趋势，但结果总是不同。因此，研究人员选择使用非破坏性监测系统，Oliver Scholz教授，X光技术研发中心的系统研究组负责人表示。要生成有意义数据，研究人员需要分析多个品系的各数十株植物。该研究所位于Fürth的基地针对此研究配备了一个专门温室以及数个环境箱，用以模拟限定气候条件。研究者直接读取并精确分析叶片尺寸、叶面积、倾斜以及曲率等。

鉴别高产品种

植物由地上和地下器官组成。植物健康和生殖等重要指示因子位于地上。人们可从叶片（植物太阳能电池板）收集有价值信息。光学监控技术，例如3D激光技术，非常适合观测叶片以及其环境。利用3D植物扫描仪获取植物3维图像。激光可向叶片表面投射窄线。因该线沿叶片走向，相机可记录该线的位置。几秒钟，即可生成数以百万的3D坐标，用以描述叶片表面（says Scholz）。

因该所的工作涉及到长期观测和检测的多个系列植物，该方法生成了大量3D数据。要对来自植物的单个叶片实现对比，研究所开发了特殊的软件程序，使用复杂过程来计算叶片主要参数，之后以更小软件包的形式提供这些参数。研究人员从而可直接读取并精确分析叶片尺寸、表面积、倾斜和曲率。生物学家获取此类表型数据并将其与微生物学知识相关联，从而鉴别生物机制，允许特定植物品系快速生长，即便在极端条件下也有足够产量。

地下X光成像：数分钟构建3D CT

植物地下部分，例如其根部结构和果序也可提供关于植物生物量的重要信息。光学监控技术于此已经达到，这是为何研究人员在此处选择了X射线。X射线成像和显微法近几十年来取得了巨大进展。此技术可轻松用于检测钢制或其它合金材质大样品。在现今系统上可以清楚显示小材料缺陷，轮胎铝轮毂或缸头壳体，易于鉴别。但表型领域研究者面对不同的挑战。与工业和实验室多处应用不同，表型不仅仅关注图像品质，成像的限制因素是成像时间，Stefan Gerth博士-革新系统设计团队负责人表示，该所研究者开发了自己的实验室系统，目标是在有效图像品质和更短测量时间间取得平衡。

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

测量时间影响非常大，原因是研究者通常会测量一系列产品。长时测量在时间上并不经济，将植物长时间放在X光机内相当于将植物从其熟悉环境中“隔离”出来，严重影响效果的有效性。Frauhofer研究所X光技术研发中心不断投入到优化X光系统的研究中，从而可约在5-7分钟完成植物扫描。另外除了特别适应的硬件，研究所用的软件作用也至关重要。因成像时间短，源数据包含很多噪音，难于处理。智能算法很大程度上对此进行了补偿，可全自动将植物器官与周围环境分离出来。

下一步，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。

在国内和国外研究伙伴的支持下，Frauhofer研究院非常确信研究者的无损监测系统可在气候变化情况下，提供适当应对措施。

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。

3D计算机断层扫描原理：3D断层扫描（CT）可生成诸多方向的多个X光图像（投影）。与医学CT扫描不一样，工业CT系统扫描的目标经常会安装在旋转桌面，位于X光射线管和检测器之间。目标绕其轴旋转同时，记录下投影。

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态领域的应用。