根系原位多光譜表型成像系統(tǒng)在植物表型研究的應(yīng)用

​Videometer系列多光譜成像系統(tǒng)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；植物/作物脅迫生理響應(yīng)；作物病理學(xué)分析與病原檢測；食品檢測；中藥成分分析與品質(zhì)檢測。來自哥本哈根大學(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，無論對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根系進(jìn)行研究的過程中，可以使用原位的方式，無損傷的進(jìn)行監(jiān)測。

根系是植物主要吸水、營養(yǎng)物等器官，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，有利于土地荒漠化治理、土壤修復(fù)等。但長期以來，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。

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)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(shí)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(shù)使用就會受限。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別上的明顯優(yōu)勢，并且對多光譜成像另一項(xiàng)的功能進(jìn)行了初步探討——即光譜特征對于根系生化特性的識別（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。

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

前言：Videometer公司是世界上較先進(jìn)的多光譜成像系統(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)超過了250篇，是當(dāng)前表型研究領(lǐng)域發(fā)表文章較多、應(yīng)用較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(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

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)250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)界較高水準(zhǔn)。