根系是植物主要吸水、营养物并支撑植物地上部分的重要器官,是植物研究的热点之一，也近年来植物表型学和作物表型组学研究热点。通过对根系监测和研究，能优化水肥方案，促进农作物、林业等产业增产增效，加速植物、作物育种，有利于土地荒漠化治理、土壤修复等。但长期以来，由于植物根系生长环境的复杂性和不透明性,导致植物根系研究发展相对缓慢，对根系研究主要是采用挖掘法、土钻法、土柱法、容器法、剖面法、传统可见光相机成像法等传统方法，采样破坏性大、工作量大、区分效果不佳，严重阻碍了根系研究的深入开展。《科学》杂志曾出版专辑认为，“人类对自己脚下土壤的了解远远不及对宇宙的了解”，更是佐证了地下根系研究、生态学研究难度之大。因此，对根系研究方法的选择和改进，对科研结果影响巨大。

根系成像技术的出现和快速发展为植物根系的研究提供了更直观、有效的研究方法，如中子成像技术、X射线扫描技术、核磁共振成像技术、探地雷达、荧光成像技术、激光共聚焦成像技术、多光谱成像技术、高光谱成像技术和计算机断层扫描成像技术等，非成像方法包括根系功能生理表型测量技术等，根据植物的生长特性以及生长环境状况,利用多种成像模块监测根系发育且不破坏其生长。

丹麦Videometer公司开发的原位根系多光谱表型成像系统，是做根系研究的革新性专业设备，无论对于浅根系园艺蔬菜、作物种质资源、草种质资源还是深根系林木种质资源，都具有现实性研究意义。目前在根系研究尤其是表型研究领域中，对于草类、玉米根系和小麦根系所作的研究比较多，但大多还采用传统不可重复的挖掘方法。植物根系原位多光谱表型成像系统出现，改变了这种情况，使得植物研究人员在对根系进行研究的过程中，可以使用原位的方式、高分辨率、无损伤的进行监测，多光谱成像技术，因具有图谱合一的特点，今年成为植物科学研究的热点。

原位根系多光谱微根管表型成像系统
该系统分为单通道原位根系多光谱微根管表型成像系统以及多通道原位根系多光谱微根管表型成像系统，前者可以便携携带，是传统RGB成像的跨越和升级，后者主要用于设施规划中的高通量根系成像研究。

单通道原位根系多光谱表型成像系统

多通道原位根系多光谱表型成像系统

5个波段下多光谱成像（405、450、590、660、940）

5波段多光谱假彩RGB成像图

丹麦根本哈根大学科学家等利用多光谱成像系统对植物植株、根系进行成像研究，取得了前瞻性的成果。该研究以深根系大麦为研究对象，将大麦下方埋了有3m长的微根管，使用Videometer公司的Videometer MR多光谱成像系统，定期通过根窗透明面对根系成像分析。原始光谱图像经过Videometer自带软件一系列算法处理后得到目标根系图像，随后进行阈值分割、模糊聚类等模型分析，得到根系的形态学数据。

传统的RGB可见光成像技术目前是业界使用较多的技术，是利用颜色识别根系，前提是根系和土壤之间要有比较明显的色差，但实际根系生长在土壤中，颜色差异并不明显，这样根系识别可能会造成比较大的误差，RGB可见光成像技术使用就会受限。歌本哈根将多光谱成像技术和传统的RGB成像技术进行了对比，显示多光谱成像技术基于光谱特征在根系识别上的明显优势，该系统可对颜色精确定量，符合国际通用的CIE色域空间颜色标准，可以区分异质的物质，如土壤和植物组织，可对土壤和根系分辨进行图像切割，专门对ROI感兴趣区域进行研究，也可区分新根和宿根以及正常根与发生病害的根系，系统分辨率高，可达30um/像素。科学家对多光谱成像的功能进行了探讨-即多光谱特征对于根系生化特性的识别（例如细根发生、成熟、衰老、死亡的周转过程；例如根际分泌物成分的变化等），显示了多光谱成像技术在根系研究领域的巨大潜力。

 

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:根是植物的关键器官，要实现产量稳定，有效利用来自土壤资源至关重要。但作物基因型之间的根性状表型变异多数还未知，田间根系发育筛查昂贵且耗力。因此，函待开发在田间进行全生长植物根系性状、特别是位于土壤深层的根系研究的新方法。

结果:研究人员开发了一种新型表型设施(RadiMax)用于在半田间条件下研究根系生长以及土壤资源获取。设施包括4个单元，每个单元面积为400m2，分别安装有150根微根管，允许对0.4 m–1.8 m或 0.7 m–2.8 m土壤深度间隔的根进行观察。根系观测通过多光谱微根光成像系统实现。植物生长行与水分梯度垂直，设施安装有多深度亚灌溉系统以及移动雨棚。水梯度可实现将根观测与冠层胁迫反应进展相关联。

结论:要验证以上技术概念，选择了栽培种春大麦 (Hordeum vulgare L.) ，种植在该系统中进行为期两季的研究。利用该系统可观测到不同深根生长基因型差异，在水梯度下，可观测到地上部的生理反应。尽管进一步技术开发和技术验证还在进行中，半田间设施不失为一种在土壤深层鉴别土壤资源有效利用的根基因差异的新方法。
关键词:干旱，微根管，氮元素，表型，根，半田间土壤，水，多光谱成像

原位根系多光谱微根管表型成像系统成像与图像切割
利用该系统发表的文献
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、根系功能生理表型测量系统
另一种根系研究的系统性方法是根系功能生理表型测量，由以色列希伯来大学开发，是一种全局性的研究方法，在植物根系研究上得到了广泛的应用，发表了大量研究成果。

Plantarray是一款基于称重的高通量、多传感器生理表型平台以及植物逆境生物学研究通用平台，也可用于根系生理表型测量。该系统可持续、实时测量位于不同环境条件下、阵列中每个植株的土壤-植物-空气（SPAC）中的即时水流动。直接测量根系和茎叶系统水平衡和生物量增加，计算植物生理参数以及植物对动态环境的反馈。系统以有效、易用、无损的方式针对植物对不同处理的反应、预测植物生长和生产力进行定量比较，广泛应用于生物胁迫和非生物胁迫以及植物栽培加速育种研究等，胁迫研究涵盖干旱胁迫、盐胁迫、重金属胁迫、热、冷胁迫、光胁迫以及灌溉/养分、CO2指示、植物健康等领域的研究。

根系生理表型测量
根在水吸收中的作用非常重要，但是，因根位于地下，要想持续对其进行监控非常具有挑战性，特别是采用无损监测方法。
使用嵌入土壤的传感器，可测量土壤湿度、温度以及电导率，同时测量其它环境信号和生理参数，Plantarray可对多个功能性状进行定量评估，例如流入根的水分-土壤传感器可持续、精确测量水流入每株植株的速率。

干旱临界点
植物土壤水流入以及流出的即时平衡（蒸腾）提供了不同研究植物和处理条件下的冠层相对水含量（RWC）和其变异。植物RWC认为是植物胁迫状态的比较参照点。

图1.干旱点测量模型：在土壤高水量条件下，水并非限制因子，因此植物1(P1) 和植物2 (P2)并未限制其冠层对水的需求。在水缺乏情况下，植物根很难获得水，因此P1植物比P2更快受到水限制。Gosa et al., Plant Science (2018)

今天，多数根胁迫相关特征是形态学上的。但是，可在胁迫下鉴别并比较植物根系的生理特征系统更有价值。 
为何如此重要?

界定干旱的一个农艺指标是土壤水含量变成植物蒸腾的限制节点。干旱起始点与根利用任何可获取水的能力高度相关。因此，具有更好根系性能的植物可能是由于根结构、解剖形态结构、生物化学或物理机制所致，干旱点值会较低（见图2），韧性更佳（再次浇水后蒸腾恢复速率）。

另外的根性能功能表型鉴定基于根日常流动速率，据报道，具有高导水率的根在良好灌溉和盐条件下具有更高的蒸腾速率，从而增强光合作用以及增加产量。 

近年来，科研主要研究精力都投入到植物胁迫反应上面。但是，尽管基因工具有了可观的改进，在研究投资和实际耐胁迫作物市场投放之间还有巨大的鸿沟。主流观点接受根在植物胁迫反应中扮演了重要角色。除了经典的根表型研究方法（主要基于根形态学），鉴别根生理标记在有效过程中很重要，也便利了胁迫理想型植物的培育。

图2.全部期间2种西红柿栽培种的全植物蒸腾-土壤水含量的函数：(a) 夏天和(b) 冬天干 

在鉴别关键点(Ɵcrit)，土壤水含量在胁迫下，成为植物蒸腾的限制因子。研究使用了土壤湿度探针持续、精确测量究竟何种水流入单株植物的根部(Jr) 。同时进行流速、其它环境信号以及生理参数测量，允许对不同功能性状包括Ɵcrit进行比较。该方法为用户提供了选择性能佳的根系的能力，特别是干旱条件下，按照生理性状进行比较。 

3、植物根系计算机CT断层扫描系统
基于X光的计算机断层扫描技术（CT）广泛应用于科学研究各个领域，如制药、纳米科学、材料科学以及植物科学等领域。得益于X光CT技术，在农业以及植物科研进展也十分迅速。X光CT成像方法使得高通量、无损、无干扰测量植物根系统成为可能，也使得植物生长期间对下游复杂机制的研究成为可能。到目前为止，已经采集到大量植物CT扫描数据，但如何有效、有效对其进行分析，还面临着挑战。科研人员经过对植物根系3D CT断层扫描的有效的统计以及计算方法进行了回顾。基于图像的植物根系分析方法划分如下 (1) 根分区切割，例如，（1）将根系与非根背景区分；(2)根系统重建；(3) 提取高层级表型性状。

在设备开发领域，德国Frauhofer研究院专门成立的植物表型研究团队开发了系列适用植物科学研究的计算机断层扫描系统，如便携式计算机扫描系统，台式高精度计算机断层扫描系统以及落地式大成像面积计算机断层扫描系统以及高通量根系表型断层扫描系统，Frauhofer研究院是世界知名的应用技术研究院，很多工业技术都源自于该研究所。Frauhofer专门成立的植物表型CT研究组致力于CT技术应用在植物的表型研究上。与传统医学CT不同，植物CT研究需要独特算法和软件等。Frauhofer研究院在该研究领域位于世界前沿。

Frauhofer植物计算机断层扫描表型成像系统采用微焦点X射线成像原理进行分辨率三维成像，可以在不破坏样品（无需染色、无需切片）的情况下，获得高精度三维图像，显示样品内部详尽的三维信息，并进行结构、密度的定量分析，适用于观察植物化石样品结构和植物活体组织的细胞结构，近年来被广泛应用于结构学、组织学、生物学特别是古生物学等研究领域，例如花、果实、种子、根系等研究。

气候变化的后果极其复杂，对发展中国家影响更大。例如，气温上升可使一些区域不适合居住，切断了当地居民获得水源的主要通道。即便发达国家也难以逃脱气候变化影响，被迫改变思维方式-特别是农业的思维方式迫在眉睫。现代植物栽培种不能快速适应气候变化影响，农民需要栽种能调整适应了当地主要条件的植物品种。这是为何研究者X光研发技术中心EZRT专注于无损监测以及植物分析。

许多植物品系（如土豆、小麦、水稻和木薯）都在努力适应世界气候条件变化条件。要寻找到适当应对应用环境条件改变的方式，Frauhofer研究人员分析了不同植物品系如何应对环境冲击。表型是一种鉴别植物的方式，例如，鉴别在高温条件下仍能有足够产量的植物。

实际环境下植物分析
理论上，人们可在田间通过人工视觉简单观测植物。但该方法为主观方法，并不精确。如果一个人连续观测数百个植株，很容易看出趋势，但结果总是不同。因此，研究人员选择使用非破坏性监测系统，Oliver Scholz教授，X光技术研发中心的系统研究组负责人表示。要生成有意义数据，研究人员需要分析多个品系的各数十株植物。该研究所位于Fürth的基地针对此研究配备了一个专门温室以及数个环境箱，用以模拟限定气候条件。研究者直接读取并精确分析叶片尺寸、叶面积、倾斜以及曲率等。

鉴别高产品种
植物由地上和地下器官组成。植物健康和生殖等重要指示因子位于地上。人们可从叶片（植物太阳能电池板）收集有价值信息。光学监控技术，例如3D激光技术，非常适合观测叶片以及其环境。利用3D植物扫描仪获取植物3维图像。激光可向叶片表面投射窄线。因该线沿叶片走向，相机可记录该线的位置。几秒钟，即可生成数以百万的3D坐标，用以描述叶片表面（says Scholz）。

因该所的工作涉及到长期观测和检测的多个系列植物，该方法生成了大量3D数据。要对来自植物的单个叶片实现对比，研究所开发了特殊的软件程序，使用复杂过程来计算叶片主要参数，之后以更小软件包的形式提供这些参数。研究人员从而可直接读取并精确分析叶片尺寸、表面积、倾斜和曲率。生物学家获取此类表型数据并将其与微生物学知识相关联，从而鉴别生物机制，允许特定植物品系快速生长，即便在极端条件下也有足够产量。

地下X光成像：数分钟构建3D CT
植物地下部分，例如其根部结构和果序也可提供关于植物生物量的重要信息。光学监控技术于此已经达到，这是为何研究人员在此处选择了X射线。X射线成像和显微法近几十年来取得了巨大进展。此技术可轻松用于检测钢制或其它合金材质大样品。在现今系统上可以清楚显示小材料缺陷，轮胎铝轮毂或缸头壳体，易于鉴别。但表型领域研究者面对不同的挑战。与工业和实验室多处应用不同，表型不仅仅关注图像品质，成像的限制因素是成像时间，Stefan Gerth博士-革新系统设计团队负责人表示，该所研究者开发了自己的实验室系统，目标是在有效图像品质和更短测量时间间取得平衡。

 

测量时间影响非常大，原因是研究者通常会测量一系列产品。长时测量在时间上并不经济，将植物长时间放在X光机内相当于将植物从其熟悉环境中“隔离”出来，严重影响效果的有效性。Frauhofer研究所X光技术研发中心不断投入到优化X光系统的研究中，从而可约在5-7分钟完成植物扫描。另外除了特别适应的硬件，研究所用的软件作用也至关重要。因成像时间短，源数据包含很多噪音，难于处理。智能算法很大程度上对此进行了补偿，可全自动将植物器官与周围环境分离出来。

下一步，软件自动鉴别果实和根部结构的纵横比以及植物器官的重量。要确保声明可靠性，研究者对试验系列进行数周、数月的观测。在实验结束时，利用一段时间的柱状图，研究者可以弄清楚植物如何进行地下生长发育。Joelle Claussen解释道，他已经在X光技术研发中心测量了数以千计的植物。尽管该所就检测系列取得较高成功率，也无法完全模拟温室环境中真实的环境影响。这就是为何生物学家要在真实环境条件下对齐进行验证的原因，Claussen表示。

在国内和国外研究伙伴的支持下，Frauhofer研究院非常确信研究者的无损监测系统可在气候变化情况下，提供适当应对措施。 

参考文献
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拥有系列植物根系研究设备和系统，将致力促进其在植物根系表型组学以及生理生态领域的应用。