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(xi)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)技術(shu)(shu)的出現和快(kuai)速發展(zhan)為(wei)植物(wu)根系(xi)的研(yan)究(jiu)提(ti)供了更直觀、有效的研(yan)究(jiu)方法(fa)，如中子(zi)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)技術(shu)(shu)、X射線(xian)掃描技術(shu)(shu)、核磁(ci)共振成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)技術(shu)(shu)、探地雷達(da)、熒光(guang)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)技術(shu)(shu)、激光(guang)共聚(ju)焦成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)技術(shu)(shu)、多光(guang)譜成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)技術(shu)(shu)、高光(guang)譜成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)技術(shu)(shu)和計算機斷層(ceng)掃描成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)技術(shu)(shu)等，非成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)方法(fa)包括根(gen)系功(gong)能(neng)生理表型測(ce)量技術等，根(gen)據植(zhi)物的生(sheng)(sheng)長特性以及生(sheng)(sheng)長環境狀況,利用多種成像(xiang)模塊監測根(gen)系發育且不破壞其生(sheng)(sheng)長。

根系表型成像分析研究平臺介紹

Videometer原位根系表型成像系統

丹麥(mai)Videometer公司開發的(de)原位(wei)(wei)根(gen)(gen)(gen)系(xi)(xi)多光譜(pu)(pu)表(biao)(biao)型(xing)成(cheng)像(xiang)(xiang)系(xi)(xi)統(tong)(tong)，是做根(gen)(gen)(gen)系(xi)(xi)研(yan)究(jiu)的(de)革(ge)新性(xing)(xing)專業設備，無論對于淺根(gen)(gen)(gen)系(xi)(xi)園藝蔬菜、作(zuo)物(wu)(wu)種(zhong)質資(zi)(zi)源(yuan)、草(cao)種(zhong)質資(zi)(zi)源(yuan)還(huan)是深根(gen)(gen)(gen)系(xi)(xi)林木種(zhong)質資(zi)(zi)源(yuan)，都具有現實(shi)性(xing)(xing)研(yan)究(jiu)意義。目前在根(gen)(gen)(gen)系(xi)(xi)研(yan)究(jiu)尤其(qi)是表(biao)(biao)型(xing)研(yan)究(jiu)領域(yu)中，對于草(cao)類、玉米根(gen)(gen)(gen)系(xi)(xi)和小麥(mai)根(gen)(gen)(gen)系(xi)(xi)所作(zuo)的(de)研(yan)究(jiu)比較多，但大(da)多還(huan)采用(yong)(yong)傳統(tong)(tong)不(bu)可(ke)重(zhong)復的(de)挖掘方法。植(zhi)物(wu)(wu)根(gen)(gen)(gen)系(xi)(xi)原位(wei)(wei)多光譜(pu)(pu)表(biao)(biao)型(xing)成(cheng)像(xiang)(xiang)系(xi)(xi)統(tong)(tong)出現，改(gai)變了這種(zhong)情況，使得植(zhi)物(wu)(wu)研(yan)究(jiu)人(ren)員在對根(gen)(gen)(gen)系(xi)(xi)進行(xing)研(yan)究(jiu)的(de)過程中，可(ke)以使用(yong)(yong)原位(wei)(wei)的(de)方式、高分辨率、無損傷的(de)進行(xing)監測，多光譜(pu)(pu)成(cheng)像(xiang)(xiang)技術，因具有圖譜(pu)(pu)合(he)一(yi)的(de)特點，今年成(cheng)為植(zhi)物(wu)(wu)科學研(yan)究(jiu)的(de)熱(re)點。

該(gai)系(xi)統分為單通道原位根系(xi)多(duo)光譜(pu)微根管表(biao)型成像(xiang)系(xi)統以(yi)及(ji)多(duo)通道原位根系(xi)多(duo)光譜(pu)微根管表(biao)型成像(xiang)系(xi)統，前者可(ke)以(yi)便攜攜帶，是(shi)傳統RGB成像(xiang)的跨越和升級，后者主(zhu)要用于設(she)施(shi)規(gui)劃中的高通量根系(xi)成像(xiang)研究(jiu)。

單通道原位(wei)根系多光譜表型成(cheng)像系統

多(duo)(duo)通道原(yuan)位根系(xi)多(duo)(duo)光(guang)譜表型成像(xiang)系(xi)統(tong)

5個波段(duan)下多(duo)光譜成(cheng)像（405、450、590、660、940）

5波段(duan)多光譜(pu)假彩(cai)RGB成像圖

四通(tong)道多光譜根系(xi)成像系(xi)統（圖片(pian)來(lai)自歌本(ben)哈(ha)根大學(xue)、禁止(zhi)盜圖、侵權(quan)必究）

丹(dan)麥(mai)根(gen)(gen)(gen)本哈根(gen)(gen)(gen)大(da)(da)學科學家(jia)等(deng)利(li)用多(duo)光譜(pu)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)系(xi)統(tong)對植物植株、根(gen)(gen)(gen)系(xi)進行成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)研(yan)(yan)究，取(qu)得(de)了前(qian)瞻性的成(cheng)果。該(gai)研(yan)(yan)究以深根(gen)(gen)(gen)系(xi)大(da)(da)麥(mai)為研(yan)(yan)究對象，將大(da)(da)麥(mai)下方(fang)埋了有3m長的微根(gen)(gen)(gen)管，使用Videometer公司的Videometer MR多(duo)光譜(pu)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)系(xi)統(tong)，定期通過(guo)根(gen)(gen)(gen)窗透(tou)明面(mian)對根(gen)(gen)(gen)系(xi)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)分(fen)(fen)析。原始光譜(pu)圖(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)經過(guo)Videometer自帶軟件一(yi)系(xi)列算法處理后得(de)到目標(biao)根(gen)(gen)(gen)系(xi)圖(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)，隨后進行閾(yu)值分(fen)(fen)割(ge)、模(mo)糊聚類等(deng)模(mo)型(xing)分(fen)(fen)析，得(de)到根(gen)(gen)(gen)系(xi)的形態學數(shu)據。

Plantarray根系功能生理表(biao)型(xing)測量系統

另一種根系研(yan)究的系統性(xing)方法(fa)是根系功能生理表型測量(liang)，由以色列希伯來大學開發，是一種全局性(xing)的研(yan)究方法(fa)，在植物根系研(yan)究上得到了廣(guang)泛的應用，發表了大量(liang)研(yan)究成果。

Plantarray是一款基于(yu)稱重的(de)高通量(liang)(liang)、多傳感(gan)器(qi)生(sheng)理(li)(li)表型(xing)平臺(tai)以(yi)(yi)及(ji)植(zhi)物(wu)逆(ni)境(jing)生(sheng)物(wu)學(xue)研(yan)究通用(yong)平臺(tai)，也可用(yong)于(yu)根系生(sheng)理(li)(li)表型(xing)測量(liang)(liang)。該(gai)系統(tong)可持續、實時測量(liang)(liang)位于(yu)不(bu)(bu)同環境(jing)條(tiao)件下(xia)、陣列中(zhong)每個植(zhi)株的(de)土壤-植(zhi)物(wu)-空氣(qi)（SPAC）中(zhong)的(de)即時水流動。直接測量(liang)(liang)根系和(he)莖葉系統(tong)水平衡和(he)生(sheng)物(wu)量(liang)(liang)增加，計算(suan)植(zhi)物(wu)生(sheng)理(li)(li)參數(shu)以(yi)(yi)及(ji)植(zhi)物(wu)對動態環境(jing)的(de)反(fan)饋。系統(tong)以(yi)(yi)有效、易用(yong)、無損的(de)方式針對植(zhi)物(wu)對不(bu)(bu)同處(chu)理(li)(li)的(de)反(fan)應、預測植(zhi)物(wu)生(sheng)長和(he)生(sheng)產力進行定(ding)量(liang)(liang)比較，廣泛應用(yong)于(yu)生(sheng)物(wu)脅(xie)(xie)迫(po)(po)和(he)非生(sheng)物(wu)脅(xie)(xie)迫(po)(po)以(yi)(yi)及(ji)植(zhi)物(wu)栽培加速育種研(yan)究等，脅(xie)(xie)迫(po)(po)研(yan)究涵(han)蓋干旱脅(xie)(xie)迫(po)(po)、鹽脅(xie)(xie)迫(po)(po)、重金屬脅(xie)(xie)迫(po)(po)、熱、冷脅(xie)(xie)迫(po)(po)、光(guang)脅(xie)(xie)迫(po)(po)以(yi)(yi)及(ji)灌溉(gai)/養(yang)分(fen)、CO2指示、植(zhi)物(wu)健(jian)康等領域(yu)的(de)研(yan)究。 

Frauhofer植物根系計算機CT斷層掃描系統

基(ji)于X光(guang)的計算機斷層掃(sao)描技術(shu)（CT）廣泛應用(yong)于科(ke)(ke)(ke)學研(yan)(yan)究各個(ge)領域(yu)，如制(zhi)藥(yao)、納(na)米科(ke)(ke)(ke)學、材(cai)料(liao)科(ke)(ke)(ke)學以(yi)及植(zhi)物(wu)科(ke)(ke)(ke)學等領域(yu)。得(de)益于X光(guang)CT技術(shu)，在農業(ye)以(yi)及植(zhi)物(wu)科(ke)(ke)(ke)研(yan)(yan)進(jin)展(zhan)也十分(fen)迅速。X光(guang)CT成像方(fang)法使(shi)得(de)高通量、無(wu)損、無(wu)干(gan)擾測量植(zhi)物(wu)根(gen)(gen)系(xi)(xi)統成為可能，也使(shi)得(de)植(zhi)物(wu)生長期間對下游復雜機制(zhi)的研(yan)(yan)究成為可能。科(ke)(ke)(ke)研(yan)(yan)人員經過對植(zhi)物(wu)根(gen)(gen)系(xi)(xi)3D CT斷層掃(sao)描的有效的統計以(yi)及計算方(fang)法進(jin)行了回顧。基(ji)于圖像的植(zhi)物(wu)根(gen)(gen)系(xi)(xi)分(fen)析方(fang)法劃分(fen)如下(1) 根(gen)(gen)分(fen)區切割，例如，（1）將根(gen)(gen)系(xi)(xi)與非根(gen)(gen)背(bei)景區分(fen)；(2)根(gen)(gen)系(xi)(xi)統重建；(3)提(ti)取高層級表型性(xing)狀。 

在設備開發領域，德國Frauhofer研究院專門(men)成立的(de)(de)植物表(biao)型研究團(tuan)隊開發了系(xi)列適用植物科學研究的(de)(de)計算(suan)機斷(duan)(duan)層掃描(miao)(miao)系(xi)統(tong)(tong)(tong)，如便(bian)攜式計算(suan)機掃描(miao)(miao)系(xi)統(tong)(tong)(tong)，臺式高精度計算(suan)機斷(duan)(duan)層掃描(miao)(miao)系(xi)統(tong)(tong)(tong)以及落地式大成像面積計算(suan)機斷(duan)(duan)層掃描(miao)(miao)系(xi)統(tong)(tong)(tong)以及高通量根系(xi)表(biao)型斷(duan)(duan)層掃描(miao)(miao)系(xi)統(tong)(tong)(tong)，Frauhofer專門(men)成立的(de)(de)植物表(biao)型CT研究組致力于CT技術應用在植物的(de)(de)表(biao)型研究上。與傳統(tong)(tong)(tong)醫(yi)學CT不(bu)同，植物CT研究需(xu)要*算(suan)法和(he)軟件等。

Frauhofer植(zhi)物(wu)(wu)計算機斷層掃(sao)描(miao)表型(xing)成像系統采(cai)用微(wei)焦(jiao)點X射(she)線成像原(yuan)理進(jin)(jin)行分辨(bian)率三維(wei)成像，可以在(zai)不(bu)破壞(huai)樣(yang)品(pin)(pin)(pin)（無(wu)需染色、無(wu)需切片）的(de)(de)情況下(xia)，獲得高精度三維(wei)圖像，顯示樣(yang)品(pin)(pin)(pin)內部(bu)詳盡的(de)(de)三維(wei)信(xin)息(xi)，并進(jin)(jin)行結構、密度的(de)(de)定(ding)量分析，適用于(yu)觀(guan)察植(zhi)物(wu)(wu)化(hua)石樣(yang)品(pin)(pin)(pin)結構和(he)植(zhi)物(wu)(wu)活(huo)體(ti)組織的(de)(de)細胞結構，近年(nian)來(lai)被廣(guang)泛應用于(yu)結構學、組織學、生(sheng)物(wu)(wu)學特別(bie)是古生(sheng)物(wu)(wu)學等(deng)研(yan)究領(ling)域，例如花、果實、種子、根系等(deng)研(yan)究。

X光可幫助研究者(zhe)看到(dao)地下情形。上圖(tu)是在不同發育階段的土豆

北京博普特科技有限公司擁有系列根系表型成像分析研究平臺，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。