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。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�！犊茖W(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(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)等，根據(jù)植物的生長特性以及生長環(huán)境狀況,利用多光譜原位監(jiān)測馬根系發(fā)育且不破壞其生長。

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)。

原位根系多光譜微根管表型成像系統(tǒng)
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)

 

 

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)。

傳統(tǒng)的RGB可見光成像技術(shù)目前是業(yè)界使用較多的技術(shù)，是利用顏色識(shí)別根系，前提是根系和土壤之間要有比較明顯的色差，但實(shí)際根系生長在土壤中，顏色差異并不明顯，這樣根系識(shí)別可能會(huì)造成比較大的誤差，RGB可見光成像技術(shù)使用就會(huì)受限。歌本哈根將多光譜成像技術(shù)和傳統(tǒng)的RGB成像技術(shù)進(jìn)行了對比，顯示多光譜成像技術(shù)基于光譜特征在根系識(shí)別上的明顯優(yōu)勢，該系統(tǒng)可對顏色精確定量，符合國際通用的CIE色域空間顏色標(biāo)準(zhǔn)，可以區(qū)分異質(zhì)的物質(zhì)，如土壤和植物組織，可對土壤和根系分辨進(jìn)行圖像切割，專門對ROI感興趣區(qū)域進(jìn)行研究，也可區(qū)分新根和宿根以及正常根與發(fā)生病害的根系，系統(tǒng)分辨率高，可達(dá)30um/像素。科學(xué)家對多光譜成像的功能進(jìn)行了探討-即多光譜特征對于根系生化特性的識(shí)別（例如細(xì)根發(fā)生、成熟、衰老、死亡的周轉(zhuǎn)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(shù)在根系研究領(lǐng)域的巨大潛力。

 

研究案例1
Construction of a large-scale semi-feld facility to study genotypic diferences in deep root growth and resources acquisition

摘要
背景:根是植物的關(guān)鍵器官，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量穩(wěn)定，有效利用來自土壤資源至關(guān)重要。但作物基因型之間的根性狀表型變異多數(shù)還未知，田間根系發(fā)育篩查昂貴且耗力。因此，函待開發(fā)在田間進(jìn)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。

結(jié)果:研究人員開發(fā)了一種新型表型設(shè)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(shè)施包括4個(gè)單元，每個(gè)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(jìn)行觀察。根系觀測通過多光譜微根光成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。植物生長行與水分梯度垂直，設(shè)施安裝有多深度亞灌溉系統(tǒng)以及移動(dòng)雨棚。水梯度可實(shí)現(xiàn)將根觀測與冠層脅迫反應(yīng)進(jìn)展相關(guān)聯(lián)。

結(jié)論:要驗(yàn)證以上技術(shù)概念，選擇了栽培種春大麥 (Hordeum vulgare L.) ，種植在該系統(tǒng)中進(jìn)行為期兩季的研究。利用該系統(tǒng)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(yīng)。盡管進(jìn)一步技術(shù)開發(fā)和技術(shù)驗(yàn)證還在進(jìn)行中，半田間設(shè)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。
關(guān)鍵詞:干旱，微根管，氮元素，表型，根，半田間土壤，水，多光譜成像

 

原位根系多光譜微根管表型成像系統(tǒng)成像與圖像切割
利用該系統(tǒng)發(fā)表的文獻(xiàn)
1、A multispectral camera system for automated minirhizotron image analysis 
Simon Fiil Svane, Erik Bjørnager Dam, Jens Michael Carstensen & Kristian Thorup-Kristensen 
Plant and Soil volume 441, pages657–672 (2019)
 

2、Construction of a large-scale semi-field facility to study genotypic differences in deep root growth and resources acquisition
Simon Fiil Svane, Christian Sig Jensen & Kristian Thorup-Kristensen 
Plant Methods volume 15
 

3、Genomic prediction of yield and root development in wheat under changing water availability
Xiangyu Guo, Simon F. Svane, Winnie S. Füchtbauer, Jeppe R. Andersen, Just Jensen & Kristian Thorup-Kristensen 
Plant Methods volume 16,
 
北京博普特科技有限公司是丹麥Videometer公司中國區(qū)總代理，全面負(fù)責(zé)其系列多光譜成像產(chǎn)品在中國市場的推廣、銷售和售后服務(wù)，目前為止，利用Videometer進(jìn)行研究的文章已經(jīng)多達(dá)300多篇，在近視距多光譜表型成像研究領(lǐng)域，Videometer無疑代表了業(yè)界高水準(zhǔn)。