運(yùn)用VideometerMR多光譜微根管技術(shù)研究草地植物細(xì)根

微根管(minirhizotron,MR)技術(shù)自出現(xiàn)以來(lái),因其方便、簡(jiǎn)潔、省時(shí)省力和能夠原位觀(guān)察的特點(diǎn)而在植物細(xì)根(直徑<2mm)研究中發(fā)揮重要作用。草地植物細(xì)根在土壤養(yǎng)分循環(huán)和草地可持續(xù)發(fā)展中起到關(guān)鍵作用。近，丹麥歌本哈根大學(xué)學(xué)者利用多光譜微根管技術(shù)研究草地植物（深根大麥（細(xì)根的進(jìn)取得突破性進(jìn)展，該方法同樣適用于集中在草地植物根系產(chǎn)量、壽命及周轉(zhuǎn)速率對(duì)氣候變化、草地管理與利用以及土壤生物的響應(yīng)等方面。多數(shù)研究認(rèn)為CO2濃度升高和氣候變暖會(huì)增加植物細(xì)根根長(zhǎng)、根數(shù)量或生物量,降低根系壽命;春季發(fā)生的細(xì)根壽命相對(duì)秋季發(fā)生的細(xì)根較短。刈割和人工施加氮肥對(duì)天然草地植物根系沒(méi)有顯著影響,但會(huì)成倍增加草地地上生物量,減少物種豐富度。植物細(xì)根壽命與直徑呈正相關(guān)關(guān)系,周轉(zhuǎn)速率與直徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。多光譜微根管技術(shù)在今后研究的重點(diǎn)可圍繞4個(gè)方面:1)放牧、草地利用與管理以及土壤生物與草地植物細(xì)根的相互關(guān)系;2)根系壽命或周轉(zhuǎn)速率對(duì)土壤碳庫(kù)或養(yǎng)分庫(kù)的影響;3)氣候變化或人類(lèi)活動(dòng)引起草地植物根系發(fā)生變化的機(jī)制。多光譜微根管技術(shù)作為一項(xiàng)突破性的根系研究技術(shù)，將更好服務(wù)于草地根系表型與生態(tài)研究,促進(jìn)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)根系研究的發(fā)展。

Videometer系列多光譜成像系統(tǒng)還廣泛應(yīng)用于：植物/作物表型組學(xué)研究分析；根系表型分析；作物育種與種子品質(zhì)檢測(cè)；植物/作物脅迫生理響應(yīng)；作物病理學(xué)分析與病原檢測(cè)；食品檢測(cè)；中藥成分分析與品質(zhì)檢測(cè)。來(lái)自哥本哈根大學(xué)、丹麥理工大學(xué)以及丹麥Videometer公司的專(zhuān)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(kāi)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(zhuān)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)。

丹麥Videometer公司開(kāi)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(zhuān)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(kāi)展?！犊茖W(xué)》雜志曾出版專(zhuān)輯認(rèn)為，“人類(lèi)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。

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(lèi)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(jiàn)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(jiàn)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。

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

前言：Videometer多光譜成像系統(tǒng)生產(chǎn)商，開(kāi)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(kāi)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)。

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(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(kāi)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。

結(jié)果:研究人員開(kāi)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(guān)察。根系觀(guān)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(guān)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(guān)測(cè)到不同深根生長(zhǎng)基因型差異，在水梯度下，可觀(guān)測(cè)到地上部的生理反應(yīng)。盡管進(jìn)一步技術(shù)開(kāi)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

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(xiāo)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)。