多光譜微根管Minirhizotron表型成像技術應用

?根系是土壤和植物的動態界面,對植物和土壤均具有重要意義。但由于根系深處地下,觀測研究十分不便,導致根系研究在廣度、深度上均落后于地上部分。隨著對根系在植物表型研究、生態系統以及碳平衡中重要作用的認識，根系漸漸成為相關領域的研究熱點之一。Minirhizotron(微根區管或小觀察窗)技術的誕生和應用,使根系研究手段得到了進一步發展,成為根系研究技術發展的重要里程碑。Minirhizotron技術主要由透明觀察管、觀測設備和記錄設備組成,觀測設備曾先后使用了普通鏡子、觀察鏡和相機(或攝像機),記錄設備也相應地經歷了手工繪制、傳統黑白、彩色相片或錄像帶以及高清晰數字圖像。同時,還開發了多種圖像自動分析系統,使該項技術日臻*。Minirhizotron技術可以以非破壞方式,定期對同一根系的出現、生長、衰老、死亡和消失進行連續觀察,對根系伸長、根系密度、扎根深度、側根伸展、分枝特性、菌根特性以及細根動態、根系生命周期和分解等進行觀測研究,同時,也可開展根系對不同處理響應的研究。因此,Minirhizotron技術必將在農業、林業和環境等科學領域得到越來越廣泛的應用。傳統的RGB可見光成像技術是利用顏色識別根系，前提是根系和土壤之間要有比較明顯的色差，但實際根系生長在土壤中，顏色差異并不明顯，這樣根系識別可能會造成比較大的誤差，RGB可見光成像技術使用就會受限。歌本哈根將多光譜成像技術和傳統的RGB成像技術進行了對比，顯示多光譜成像技術基于光譜特征在根系識別上的明顯優勢，并且對多光譜成像另一項*的功能進行了初步探討——即光譜特征對于根系生化特性的識別（例如細根發生、成熟、衰老、死亡的周轉過程；例如根際分泌物成分的變化等），顯示了多光譜成像技術在根系研究領域的巨大潛力。鑒于傳統微根管法受限于常規RGB相機的信息采集功能以及配套軟件的數據處理能力，更為*的，同時具有光譜和圖像學信息有點的多光譜根系表型成像被應用于該領域研究并取得了突破性、革新性的進展。

Videometer多光譜成像系統生產商，開發了系列多光譜成像設備如VideometerLab 4多光譜成像系統、VideometrMR根系多光譜成像系統、VideometerLiq固、液兩用多光譜成像系統并與丹麥歌本哈根大學聯合開發了Radimax深根研究用多光譜成像系統，目前利用Videometer系統發表的文章已經超過了250篇，是當前表型研究領域發表文章多、應用廣泛的多光譜成像系統。

哥本哈根大學、丹麥理工大學以及丹麥Videometer公司的專家在剛剛利用該設備在Plant and Soil上發表了題為A multispectral camera system for automated minirhizotron image analysis的文章，早些利用該設備進行研究的文章題為Frontiers in Plant　Sciences，Screening of Barley Resistance Against Powdery Mildew  by Simultaneous High-Throughput Enzyme Activity Signature Profiling and Multispectral Imaging。該系列文章的發表時植物根系表型成像領域的突破性進展，具有劃時代的意義。

丹麥Videometer公司開發的根系原位多光譜表型成像系統，是做根系研究的革新性專業裝備，無論對于淺根系蔬菜還是淺根系喬木，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。植物根系多光譜表型原位成像出現，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，無損傷的進行監測。

根系是植物主要吸水、營養物等器官，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，有利于土地荒漠化治理、土壤修復等。但長期以來，對根系研究主要是采用挖掘法、土鉆法、土柱法、容器法、剖面法等傳統方法，采樣破壞性大、工作量大，嚴重阻礙了根系研究的深入開展?！犊茖W》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。

根是植物的關鍵器官，要實現產量穩定，有效利用來自土壤資源至關重要。但作物基因型之間的根性狀表型變異多數還未知，田間根系發育篩查昂貴且耗力。因此，函待開發在田間進行全生長植物根系性狀、特別是位于土壤深層的根系研究的新方法。

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。

丹麥根本哈根大學科學家近另外發表的一篇文章題為Construction of a large-scale semi-feld facility to study genotypic diferences in deep root growth and resources acquisition，主要內容如下：研究人員開發了一種新型表型設施(RadiMax)用于在半田間條件下研究根系生長以及土壤資源獲取。設施包括4個單元，每個單元面積為400m2，分別安裝有150根微根管，允許對0.4 m–1.8 m或 0.7 m–2.8 m土壤深度間隔的根進行觀察。根系觀測通過多光譜微根光成像系統實現。植物生長行與水分梯度垂直，設施安裝有多深度亞灌溉系統以及移動雨棚。水梯度可實現將根觀測與冠層脅迫反應進展相關聯。 

結論:要驗證以上技術概念，選擇了栽培種春大麥 (Hordeum vulgare L.) ，種植在該系統中進行為期兩季的研究。利用該系統可觀測到不同深根生長基因型差異，在水梯度下，可觀測到地上部的生理反應。盡管進一步技術開發和技術驗證還在進行中，半田間設施不失為一種在土壤深層鑒別土壤資源有效利用的根基因差異的新方法。

北京博普特科技有限公司是丹麥Videometer公司中國區總代理，全面負責其系列多光譜成像產品在中國市場的推廣、銷售和售后服務，目前為止，利用Videometer進行研究的文章已經多達250多篇，在近視距多光譜表型成像研究領域，Videometer無疑代表了業界水準。