根系是植物主要吸水、營養物并支撐植物地上部分的重要器官,是植物研究的熱點之一，也近年來植物表型學和作物表型組學研究熱點。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，加速植物、作物育種，有利于土地荒漠化治理、土壤修復等。但長期以來，由于植物根系生長環境的復雜性和不透明性,導致植物根系研究發展相對緩慢，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、傳統可見光相機成像法等傳統方法，采樣破壞性大、工作量大、區分效果不佳，嚴重阻礙了根系研究的深入開展。《科學》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”，更是佐證了地下根系研究、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。

根系成像技術的出現和快速發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、X射線掃描技術、核磁共振成像技術、探地雷達、熒光成像技術、激光共聚焦成像技術、多光譜成像技術、高光譜成像技術和計算機斷層掃描成像技術等，非成像方法包括根系功能生理表型測量技術等，根據植物的生長特性以及生長環境狀況,利用多種成像模塊監測根系發育且不破壞其生長。

丹麥Videometer公司開發的原位根系多光譜表型成像系統，是做根系研究的革新性專業設備，無論對于淺根系園藝蔬菜、作物種質資源、草種質資源還是深根系林木種質資源，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，但大多還采用傳統不可重復的挖掘方法。植物根系原位多光譜表型成像系統出現，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、高分辨率、無損傷的進行監測，多光譜成像技術，因具有圖譜合一的特點，今年成為植物科學研究的熱點。

原位根系多光譜微根管表型成像系統
該系統分為單通道原位根系多光譜微根管表型成像系統以及多通道原位根系多光譜微根管表型成像系統，前者可以便攜攜帶，是傳統RGB成像的跨越和升級，后者主要用于設施規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

多通道原位根系多光譜表型成像系統

5個波段下多光譜成像（405、450、590、660、940）

5波段多光譜假彩RGB成像圖

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。

傳統的RGB可見光成像技術目前是業界使用較多的技術，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，該系統可對顏色精確定量，符合國際通用的CIE色域空間顏色標準，可以區分異質的物質，如土壤和植物組織，可對土壤和根系分辨進行圖像切割，專門對ROI感興趣區域進行研究，也可區分新根和宿根以及正常根與發生病害的根系，系統分辨率高，可達30um/像素。科學家對多光譜成像的功能進行了探討-即多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。

 

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。

結果: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。
關鍵詞: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成像與圖像切割
利用該系統發表的文獻
1、A multispectral camera system for automated minirhizotron image analysis
2、Construction of a large-scale semi-field facility to study genotypic differences in deep root growth and resources acquisition
3、Genomic prediction of yield and root development in wheat under changing water availability
2、根系功能生理表型測量系統
另一種根系研究的系統性方法是根系功能生理表型測量，由以色列希伯來大學開發，是一種全局性的研究方法，在植物根系研究上得到了廣泛的應用，發表了大量研究成果。

Plantarray是一款基于稱重的高通量、多傳感器生理表型平臺以及植物逆境生物學研究通用平臺，也可用于根系生理表型測量。該系統可持續、實時測量位于不同環境條件下、陣列中每個植株的土壤-植物-空氣（SPAC）中的即時水流動。直接測量根系和莖葉系統水平衡和生物量增加，計算植物生理參數以及植物對動態環境的反饋。系統以有效、易用、無損的方式針對植物對不同處理的反應、預測植物生長和生產力進行定量比較，廣泛應用于生物脅迫和非生物脅迫以及植物栽培加速育種研究等，脅迫研究涵蓋干旱脅迫、鹽脅迫、重金屬脅迫、熱、冷脅迫、光脅迫以及灌溉/養分、CO2指示、植物健康等領域的研究。

根系生理表型測量
根在水吸收中的作用非常重要，但是，因根位于地下，要想持續對其進行監控非常具有挑戰性，特別是采用無損監測方法。
使用嵌入土壤的傳感器，可測量土壤濕度、溫度以及電導率，同時測量其它環境信號和生理參數，Plantarray可對多個功能性狀進行定量評估，例如流入根的水分-土壤傳感器可持續、精確測量水流入每株植株的速率。

干旱臨界點
植物土壤水流入以及流出的即時平衡（蒸騰）提供了不同研究植物和處理條件下的冠層相對水含量（RWC）和其變異。植物RWC認為是植物脅迫狀態的比較參照點。

圖1.干旱點測量模型：在土壤高水量條件下，水并非限制因子，因此植物1(P1) 和植物2 (P2)并未限制其冠層對水的需求。在水缺乏情況下，植物根很難獲得水，因此P1植物比P2更快受到水限制。Gosa et al., Plant Science (2018)

今天，多數根脅迫相關特征是形態學上的。但是，可在脅迫下鑒別并比較植物根系的生理特征系統更有價值。 
為何如此重要?

界定干旱的一個農藝指標是土壤水含量變成植物蒸騰的限制節點。干旱起始點與根利用任何可獲取水的能力高度相關。因此，具有更好根系性能的植物可能是由于根結構、解剖形態結構、生物化學或物理機制所致，干旱點值會較低（見圖2），韌性更佳（再次澆水后蒸騰恢復速率）。

另外的根性能功能表型鑒定基于根日常流動速率，據報道，具有高導水率的根在良好灌溉和鹽條件下具有更高的蒸騰速率，從而增強光合作用以及增加產量。 

近年來，科研主要研究精力都投入到植物脅迫反應上面。但是，盡管基因工具有了可觀的改進，在研究投資和實際耐脅迫作物市場投放之間還有巨大的鴻溝。主流觀點接受根在植物脅迫反應中扮演了重要角色。除了經典的根表型研究方法（主要基于根形態學），鑒別根生理標記在有效過程中很重要，也便利了脅迫理想型植物的培育。

圖2.全部期間2種西紅柿栽培種的全植物蒸騰-土壤水含量的函數：(a) 夏天和(b) 冬天干 

在鑒別關鍵點(Ɵcrit)，土壤水含量在脅迫下，成為植物蒸騰的限制因子。研究使用了土壤濕度探針持續、精確測量究竟何種水流入單株植物的根部(Jr) 。同時進行流速、其它環境信號以及生理參數測量，允許對不同功能性狀包括Ɵcrit進行比較。該方法為用戶提供了選擇性能佳的根系的能力，特別是干旱條件下，按照生理性狀進行比較。 

3、植物根系計算機CT斷層掃描系統
基于X光的計算機斷層掃描技術（CT）廣泛應用于科學研究各個領域，如制藥、納米科學、材料科學以及植物科學等領域。得益于X光CT技術，在農業以及植物科研進展也十分迅速。X光CT成像方法使得高通量、無損、無干擾測量植物根系統成為可能，也使得植物生長期間對下游復雜機制的研究成為可能。到目前為止，已經采集到大量植物CT掃描數據，但如何有效、有效對其進行分析，還面臨著挑戰。科研人員經過對植物根系3D CT斷層掃描的有效的統計以及計算方法進行了回顧。基于圖像的植物根系分析方法劃分如下 (1) 根分區切割，例如，（1）將根系與非根背景區分；(2)根系統重建；(3) 提取高層級表型性狀。

在設備開發領域，德國Frauhofer研究院專門成立的植物表型研究團隊開發了系列適用植物科學研究的計算機斷層掃描系統，如便攜式計算機掃描系統，臺式高精度計算機斷層掃描系統以及落地式大成像面積計算機斷層掃描系統以及高通量根系表型斷層掃描系統，Frauhofer研究院是世界知名的應用技術研究院，很多工業技術都源自于該研究所。Frauhofer專門成立的植物表型CT研究組致力于CT技術應用在植物的表型研究上。與傳統醫學CT不同，植物CT研究需要獨特算法和軟件等。Frauhofer研究院在該研究領域位于世界前沿。

Frauhofer植物計算機斷層掃描表型成像系統采用微焦點X射線成像原理進行分辨率三維成像，可以在不破壞樣品（無需染色、無需切片）的情況下，獲得高精度三維圖像，顯示樣品內部詳盡的三維信息，并進行結構、密度的定量分析，適用于觀察植物化石樣品結構和植物活體組織的細胞結構，近年來被廣泛應用于結構學、組織學、生物學特別是古生物學等研究領域，例如花、果實、種子、根系等研究。

氣候變化的后果極其復雜，對發展中國家影響更大。例如，氣溫上升可使一些區域不適合居住，切斷了當地居民獲得水源的主要通道。即便發達國家也難以逃脫氣候變化影響，被迫改變思維方式-特別是農業的思維方式迫在眉睫。現代植物栽培種不能快速適應氣候變化影響，農民需要栽種能調整適應了當地主要條件的植物品種。這是為何研究者X光研發技術中心EZRT專注于無損監測以及植物分析。

許多植物品系（如土豆、小麥、水稻和木薯）都在努力適應世界氣候條件變化條件。要尋找到適當應對應用環境條件改變的方式，Frauhofer研究人員分析了不同植物品系如何應對環境沖擊。表型是一種鑒別植物的方式，例如，鑒別在高溫條件下仍能有足夠產量的植物。

實際環境下植物分析
理論上，人們可在田間通過人工視覺簡單觀測植物。但該方法為主觀方法，并不精確。如果一個人連續觀測數百個植株，很容易看出趨勢，但結果總是不同。因此，研究人員選擇使用非破壞性監測系統，Oliver Scholz教授，X光技術研發中心的系統研究組負責人表示。要生成有意義數據，研究人員需要分析多個品系的各數十株植物。該研究所位于Fürth的基地針對此研究配備了一個專門溫室以及數個環境箱，用以模擬限定氣候條件。研究者直接讀取并精確分析葉片尺寸、葉面積、傾斜以及曲率等。

鑒別高產品種
植物由地上和地下器官組成。植物健康和生殖等重要指示因子位于地上。人們可從葉片（植物太陽能電池板）收集有價值信息。光學監控技術，例如3D激光技術，非常適合觀測葉片以及其環境。利用3D植物掃描儀獲取植物3維圖像。激光可向葉片表面投射窄線。因該線沿葉片走向，相機可記錄該線的位置。幾秒鐘，即可生成數以百萬的3D坐標，用以描述葉片表面（says Scholz）。

因該所的工作涉及到長期觀測和檢測的多個系列植物，該方法生成了大量3D數據。要對來自植物的單個葉片實現對比，研究所開發了特殊的軟件程序，使用復雜過程來計算葉片主要參數，之后以更小軟件包的形式提供這些參數。研究人員從而可直接讀取并精確分析葉片尺寸、表面積、傾斜和曲率。生物學家獲取此類表型數據并將其與微生物學知識相關聯，從而鑒別生物機制，允許特定植物品系快速生長，即便在極端條件下也有足夠產量。

地下X光成像：數分鐘構建3D CT
植物地下部分，例如其根部結構和果序也可提供關于植物生物量的重要信息。光學監控技術于此已經達到，這是為何研究人員在此處選擇了X射線。X射線成像和顯微法近幾十年來取得了巨大進展。此技術可輕松用于檢測鋼制或其它合金材質大樣品。在現今系統上可以清楚顯示小材料缺陷，輪胎鋁輪轂或缸頭殼體，易于鑒別。但表型領域研究者面對不同的挑戰。與工業和實驗室多處應用不同，表型不僅僅關注圖像品質，成像的限制因素是成像時間，Stefan Gerth博士-革新系統設計團隊負責人表示，該所研究者開發了自己的實驗室系統，目標是在有效圖像品質和更短測量時間間取得平衡。

 

測量時間影響非常大，原因是研究者通常會測量一系列產品。長時測量在時間上并不經濟，將植物長時間放在X光機內相當于將植物從其熟悉環境中“隔離”出來，嚴重影響效果的有效性。Frauhofer研究所X光技術研發中心不斷投入到優化X光系統的研究中，從而可約在5-7分鐘完成植物掃描。另外除了特別適應的硬件，研究所用的軟件作用也至關重要。因成像時間短，源數據包含很多噪音，難于處理。智能算法很大程度上對此進行了補償，可全自動將植物器官與周圍環境分離出來。

下一步，軟件自動鑒別果實和根部結構的縱橫比以及植物器官的重量。要確保聲明可靠性，研究者對試驗系列進行數周、數月的觀測。在實驗結束時，利用一段時間的柱狀圖，研究者可以弄清楚植物如何進行地下生長發育。Joelle Claussen解釋道，他已經在X光技術研發中心測量了數以千計的植物。盡管該所就檢測系列取得較高成功率，也無法完全模擬溫室環境中真實的環境影響。這就是為何生物學家要在真實環境條件下對齊進行驗證的原因，Claussen表示。

在國內和國外研究伙伴的支持下，Frauhofer研究院非常確信研究者的無損監測系統可在氣候變化情況下，提供適當應對措施。 

參考文獻
1、X-Ray CT Phenotyping Reveals Bi-Phasic Growth Phases of Potato Tubers Exposed to Combined Abiotic Stress
2、Semiautomated 3D Root Segmentation and Evaluation Based on X-Ray CT Imagery
3、Quantification of seed performance: non-invasive determination of internal traits using computed tomography
4、Direct comparison of MRI and X-ray CT technologies for 3D imaging of root systems in soil: Potential and challenges for root trait quantification

北京博普特科技有限公司擁有系列植物根系研究設備和系統，將致力促進其在植物根系表型組學以及生理生態領域的應用。