多光譜微根管Minirhizotron表型成像技術(shù)應(yīng)用

?根系是土壤和植物的動(dòng)態(tài)界面,對(duì)植物和土壤均具有重要意義。但由于根系深處地下,觀測(cè)研究十分不便,導(dǎo)致根系研究在廣度、深度上均落后于地上部分。隨著對(duì)根系在植物表型研究、生態(tài)系統(tǒng)以及碳平衡中重要作用的認(rèn)識(shí)，根系漸漸成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。Minirhizotron(微根區(qū)管或小觀察窗)技術(shù)的誕生和應(yīng)用,使根系研究手段得到了進(jìn)一步發(fā)展,成為根系研究技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。Minirhizotron技術(shù)主要由透明觀察管、觀測(cè)設(shè)備和記錄設(shè)備組成,觀測(cè)設(shè)備曾先后使用了普通鏡子、觀察鏡和相機(jī)(或攝像機(jī)),記錄設(shè)備也相應(yīng)地經(jīng)歷了手工繪制、傳統(tǒng)黑白、彩色相片或錄像帶以及高清晰數(shù)字圖像。同時(shí),還開發(fā)了多種圖像自動(dòng)分析系統(tǒng),使該項(xiàng)技術(shù)日臻完善。Minirhizotron技術(shù)可以以非破壞方式,定期對(duì)同一根系的出現(xiàn)、生長(zhǎng)、衰老、死亡和消失進(jìn)行連續(xù)觀察,對(duì)根系伸長(zhǎng)、根系密度、扎根深度、側(cè)根伸展、分枝特性、菌根特性以及細(xì)根動(dòng)態(tài)、根系生命周期和分解等進(jìn)行觀測(cè)研究,同時(shí),也可開展根系對(duì)不同處理響應(yīng)的研究。因此,Minirhizotron技術(shù)必將在農(nóng)業(yè)、林業(yè)和環(huán)境等科學(xué)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的RGB可見光成像技術(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(zhǎng)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(duì)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(shì)，并且對(duì)多光譜成像另一項(xiàng)*的功能進(jìn)行了初步探討——即光譜特征對(duì)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(guò)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。鑒于傳統(tǒng)微根管法受限于常規(guī)RGB相機(jī)的信息采集功能以及配套軟件的數(shù)據(jù)處理能力，更為強(qiáng)大的，同時(shí)具有光譜和圖像學(xué)信息有點(diǎn)的多光譜根系表型成像被應(yīng)用于該領(lǐng)域研究并取得了突破性、革新性的進(jìn)展。

Videometer多光譜成像系統(tǒng)生產(chǎn)商，開發(fā)了系列多光譜成像設(shè)備如VideometerLab 4多光譜成像系統(tǒng)、VideometrMR根系多光譜成像系統(tǒng)、VideometerLiq固、液兩用多光譜成像系統(tǒng)并與丹麥歌本哈根大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了Radimax深根研究用多光譜成像系統(tǒng)，目前利用Videometer系統(tǒng)發(fā)表的文章已經(jīng)超過(guò)了250篇，是當(dāng)前表型研究領(lǐng)域發(fā)表文章多、應(yīng)用廣泛的多光譜成像系統(tǒng)。

哥本哈根大學(xué)、丹麥理工大學(xué)以及丹麥Videometer公司的專家在剛剛利用該設(shè)備在Plant and Soil上發(fā)表了題為A multispectral camera system for automated minirhizotron image analysis的文章，早些利用該設(shè)備進(jìn)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(fā)表時(shí)植物根系表型成像領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，具有劃時(shí)代的意義。

丹麥Videometer公司開發(fā)的根系原位多光譜表型成像系統(tǒng)，是做根系研究的革新性專業(yè)裝備，無(wú)論對(duì)于淺根系蔬菜還是淺根系喬木，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(duì)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(tǒng)不可重復(fù)的挖掘方法。植物根系多光譜表型原位成像出現(xiàn)，改變了這種情況，使得植物研究人員在對(duì)根系進(jìn)行研究的過(guò)程中，可以使用原位的方式，無(wú)損傷的進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

根系是植物主要吸水、營(yíng)養(yǎng)物等器官，通過(guò)對(duì)根系監(jiān)測(cè)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，有利于土地荒漠化治理、土壤修復(fù)等。但長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)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(tǒng)方法，采樣破壞性大、工作量大，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(duì)自己腳下土壤的了解遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及對(duì)宇宙的了解”，更是佐證了地下生態(tài)學(xué)研究難度之大。因此，對(duì)根系研究方法的選擇和改進(jìn)，對(duì)科研結(jié)果影響巨大。

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(lái)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(zhǎng)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(xué)科學(xué)家等利用多光譜成像系統(tǒng)對(duì)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(duì)象，將大麥下方埋了有3m長(zhǎng)的微根管，使用Videometer公司的Videometer MR多光譜成像系統(tǒng)，定期通過(guò)根窗透明面對(duì)根系成像分析。原始光譜圖像經(jīng)過(guò)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)。

丹麥根本哈根大學(xué)科學(xué)家近另外發(fā)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(nèi)容如下：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(zhǎng)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(duì)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(cè)通過(guò)多光譜微根光成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。植物生長(zhǎng)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(cè)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(cè)到不同深根生長(zhǎng)基因型差異，在水梯度下，可觀測(cè)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。

北京博普特科技有限公司是丹麥Videometer公司中國(guó)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(guó)市場(chǎng)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)250多篇，在近視距多光譜表型成像研究領(lǐng)域，Videometer無(wú)疑代表了業(yè)界水準(zhǔn)。