植物根系研究的系统解决方案
1 背景
根系对植物起着支撑作用，是植物的吸水器官，吸盐器官，在生态系统的生物地球化学循环中扮演着重要角色。但是，由于根系是大多数陆地生态系统“隐藏的一半”，对它进行准确取样、测定、观察存在一定困难。长期以来，对根系的研究主要还是采用挖掘法、土钻法、土柱法、容器法、剖面法等传统方法，采样破坏性大、工作量大，严重阻碍了根系研究的深入开展。《科学》杂志于2004年6月出版了一本专辑认为“人类对自己脚下土壤的了解远远不及对宇宙的了解”，更是佐证了地下生态学的研究难度之大。所以，根系研究方法的选择，相对于对地上部分而言对研究结果具有更大的影响。
为了协助科研人员更好的进行根系研究，更深入的了解地下“隐藏的一半”，泽泉生态开放实验室（Zealquest Laboratory for Ecological Research）推出一套根系研究的系统解决方案，希望这套方案能为科研人员的研究起到一定的帮助。
2 根系研究的系统解决方案
2.1 功能
1）原位、非破坏的研究植物根系
2）全方位分析植物根系
3）长期监测植物根系的生长动态
4）大容量、高效率、高精度的获取根系信息
5）利用盆栽植物进行大批量快速筛选，获得合适的突变株后直接移植到室外土壤中，继续进行长期监测，进行长期的系统性实验
2.2 所需设备及用途
1）植物根系X-光扫描成像分析系统RootViz FS（室内）
* 对盆栽植物的根系进行原位成像分析，可以拍摄根系的X-光立体照片
* 全方位分析植物根系所有部分
* 在植物生长的不同阶段对根系的生长进行长期动态监测
* 大批量筛选根系突变株
* 完全可控条件下进行根系的生理、病理研究
2）植物根系生长监测监测系统CI-600（室外）
* 非破坏性的原位360度多层次旋转式扫描成像系统
* 可定点、连续观测根系在整个生长季的动态变化
* 大批量埋设根管，大量样点的长期监测
3）植物根系分析软件WinRHIZO Tron MF
* 对RootViz FS和CI-600的测量结果进行分析
* 可以分别对总根、活动根、活动根段的测量数据进行全面分析
* 可以改变显示信息的颜色，给图片、根系和片段添加注释
* 可以拼接不同深度、不同时间获得的图像，进行时空动力学变化分析
3 植物根系X-光扫描成像系统RootViz FS
全球第一款为植物根系拍摄X-光照片的系统，获得2007年美国R&D 100大奖（“发明界的奥斯卡奖”）的产品。RootViz FS可以高效、高精度、非破坏性的对盆栽植物的根系进行原位成像分析，可以全方位分析植物根系的所有部分（包括根尖等），并且可以在植物生长的不同阶段对根系进行长期动态监测。
3.1 对植物根系进行X-光扫描成像的原理
植物根系生长在特制的X-光可穿透的培养容器和培养介质中，一侧用低能数字X-光发射器发出X-射线，穿过培养容器和介质后在另一侧通过闪烁发光体将X-射线转换成可见光，然后利用数码相机进行检测。由于培养容器和介质可被X-光穿透，而根系不被穿透，这样就获得了根系的X-光影像图。由于选择的是低能X-光，即使密度很低的根尖也不会被穿透，这样就可以获得全面的根系信息。X-光发射器前带有可开关的防护门，当门关闭后，所有X-射线被屏蔽掉。仪器外壳带有内锁，不会发生X-光泄漏。
3.2根系X-光成像的特性
* 高分辨率的X-光立体成像
* 进行长期动态监测
* 获得原位根系角度信息
* 完全可控条件下的生理、病理实验
* 大规模快速筛选根系突变株
3.3 根系X-光扫描成像系统的主要技术参数
* X-射线发生器: 20KeV@800mA；35u spot size
* X-射线数码相机: 1024 x 1024 CMOS；GdOs Scintillator
* 精确的三维调节工作台: 精度达25 mm
* 速度：平面图25株/h；立体图15株/h
* 范围：最大根长0.6 m；最大高度2.1 m
* 分辨率：2000×2048像素
3.4 根系X-光扫描成像系统的应用实例
应用实例一：根系的X-光立体成像
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玉米幼苗根系的X-光立体成像 |
应用实例二：根系生长发育的长期动态监测
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第4天 |
第7天 |
第10天 |
第13天 |
第16天 |
第28天 |
第40天 |
玉米出苗后40天的根系动态生长监测
（利用红/蓝立体眼镜可以观看立体效果）
4 植物根系生长监测监测系统CI-600
4.1 CI-600的原理
植物根系生长监测系统CI-600是全球第一套“土壤原位360度多层次旋转式扫描”获取根系剖面图像的方法。将透明根管埋设在需要研究的根系周围后，定期使用旋转式CCD线性扫描头对根系360度多层次扫描，然后借助专业根系分析软件系统对混合图像进行分析，从而跟踪了解根系的长期生长动态。
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4.2 CI-600的特性
* 非破坏性的原位测量
* 可获取188兆像素高分辨率彩色图像
* 不变形的线性扫描
* 每次扫描可获得21.56 x 19.56cm的高分辨率图像
* 极便携、易操作、测量快
* 可以扫描根系不同层次的图像，合成后获得整体根系的剖面图
* 可定点、连续观测根系在整个生长季的动态变化
* USB数据传输，测量、存储方便
* 配合根系动态分析软件，后续分析功能强大
4.3 CI-600的主要技术参数
* 扫描头分辨率：最大1200dpi或188兆像素
* 单图尺寸：21.56 x 19.56 cm
* 扫描速度：5～15s
* 电脑接口：USB
* 供电：电脑USB供电
* 扫描头尺寸：直径6.4cm，长34.3cm
* 透明根管尺寸：内径6.4cm，长182.9cm（长度可以定制）
* 重量：约1Kg
４.4 CI-600的应用实例
右图为Northern Arizona University的Dylan Fischer博士的实验结果，从上到下为连续扫描的6张360度图片拼接在一起，每张图片的原始尺寸为21.59 x 19.56 cm。
（这里为了排版需要，将图片的分辨率大大降低）
5 植物根系分析软件WinRHIZO Tron MF
根系分析软件WinRHIZO Tron MF是一款功能非常强大的专业根系分析软件，可以对RootViz FS和CI-600的测量结果进行分析，其主要特性如下：
◆ 总根测量(根长、表面积、投影面积、体积、平均直径和数目的提示）
◆ 活动根的名称和它的测量数据（长度，表面积...)
◆ 活动根段的编号和其测量数据（长度，比表面积...)
◆ 可以移动分析区域里单个根或所有根系
◆ 可以改变显示信息的颜色
◆ 可以给图片、根系和片段添加注释
◆ 可以将根管不同深度不同时间的扫描图像连接起来进行整体分析
◆ 文件以ASCII文本格式保存，兼容多数表格程序（如Excel）
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| 时空变化分析（横轴为时间，不同季节；纵轴为空间，不同深度） |
6 根系研究系统解决方案的应用
这套根系研究的系统解决方案综合了植物根系X-光扫描成像分析系统RootViz FS和植物根系生长监测系统CI-600的强大、革命性的测量功能，以及根系分析软件WinRHIZO Tron MF的强大分析功能。三者有机结合，融会贯通，可以广泛的应用于根系研究领域：
◆ 根系的发育周期和再生周期
◆ 根际形态学和分类学的研究
◆ 根际生态过程与调控
◆ 推进和开发功能基因组学的研究
◆ 突变体及作物育种的鉴定和筛选
◆ 植物生态学研究
◆ 环境保护和修复
◆ 能源苗木的培养及果树育苗与引种
◆ 森林培育和林学
◆ 花卉栽培和保护
◆ 细根生理和功能异质
◆ 根系周转和生态驱动
◆ 农业生态系统中作物生长及节水灌溉
◆ 防风固沙与水土保持
◆ 根系对盐、干旱、重金属等逆境胁迫的生理生态响应
◆ 植物病理学的研究
利用这套系统，可以对盆栽植物进行大批量快速筛选，获得合适的突变株后直接移植到室外土壤中，继续进行长期监测，进行长期的系统性实验
7 展望
这套根系研究的系统解决方案用于原位、非破坏性地研究根系，可以长期监测根系的生长动态，彻底打破了长期以来根系研究的瓶颈。植物根系X-光扫描成像分析系统RootViz FS侧重于室内研究，是目前世界上最先进的根系研究系统，几乎可以应用于所有和根系有关的研究中。美国能源部利用其开展对美国白杨生物能源开发利用，杜克大学的Benefy Lab利用其进行功能基因组学研究，探讨植物抗逆机制。植物根系生长监测监测系统CI-600侧重于室外研究，是微根窗（minirhizotron）技术应用的最先进产品，在国外已广泛地应用于森林、草地、沙漠、果园及农业生态系统等植物根系研究中。这两种技术在根系研究进程中都被认为是重要的里程碑，必将改变根系研究远远落后于地上部分研究的现状，为根系研究的跨越式发展起到巨大的推动作用。
上海泽泉科技股份有限公司（Zealquest Scientific Technology Co., Ltd.）成立于2000年，是一家专注于高端科研设备研发、系统集成、技术推广、咨询、销售和科研服务的科技型技术企业。公司注册资金3500万元人民币，具有进出口贸易权。
公司总部位于上海浦西，在北京设有分公司，在广州、成都、武汉分别设有代表处。公司全体员工均具有高等教育背景，其中80%的技术研发、技术支持和销售人员具有硕士和博士学位，参加过很多国家和省部级重大科研项目，具有丰富的科研工作经验。公司曾获得上海市高新技术企业、上海市普陀区科技小巨人企业、上海市科技型企业中华全国工商联合会/上海市工商联合会/上海市商会会员单位，曾是上海市专业技术服务平台——生理生态测量与分析平台的依托单位和上海市高新技术成果转化项目承担单位。2012年公司通过了ISO9001质量管理体系认证，获得AAA级信用资质等级认定，获得普陀区科技小巨人企业认定，成为上海市研发公共服务平台加盟单位和“上海市工商联合会”/“上海市商会”会员单位 。2015年获得“专精特新”中小企业认定。2016年成为“上海市生态学学会常务理事单位”和“上海种子行业协会”会员单位，2017年成为“上海市农业工程学会理事单位”。
上海泽泉科技股份有限公司非常注重自主知识产权的申报和保护，公司及子公司上海乾菲诺农业科技有限公司截止2024年底已获得发明专利8项、实用新型54项及软件著作9项，国内外科研期刊发表科研论文20多篇。公司还参与承担了国家自然科学基金重点项目（41030529）和水利部948项目（200907）。
公司秉承推进中国生态环境改善、科技兴国的理念，服务涉及机器人与人工智能应用，生命科学多组学研究，植物表型与植物生理生态、生物育种技术平台建设；土壤、环境气象、水文水利与海洋等领域的最新技术资讯和产品解决方案，服务对象主要为各级科研单位、高校和政府机构。公司先后为科技部“973”项目和“863”项目、国家科技重大专项、国家科技支撑计划、国家“211”工程和“985”工程、中科院知识创新工程、农业部“948”项目、水利部“948”项目等提供技术咨询、仪器设备、系统解决方案和系统集成服务，为项目的顺利完成提供了有力支持。
多年来，公司积极参与相关领域的学术会议，并定期举办相关仪器设备的技术讲座和培训班，在科研和监测领域产生了积极的反响，获得了良好的口碑。截止2024年底，泽泉科技举办公开技术讲座275多场，参会人员超过15000人次；同时在国内外应邀参加学术会议和展会296多次，与相关领域的客户有非常密切的交流合作。
2014年2月，上海泽泉科技股份有限公司在上海浦东孙桥现代农业园区投资成立了上海乾菲诺农业科技有限公司，建设了AgriPhenoTM “高通量植物基因型-表型-育种服务平台”，为植物科研和育种单位提供全面的样品收集和栽培，实验设计和项目合作，以及表型数据与生物信息学分析综合服务。平台成功主持了上海张江国家自主创新示范区专项发展资金重点项目“泽泉科技高通量植物基因型-表型-育种服务平台”。作为主持单位或合作单位参与了上海市农委和科委的30多项政府科研服务项目以及商业服务项目，如科技兴农种业发展项目“农作物分子育种的技术创新研究”和“青菜高通量表型图谱标准的建立及主要性状分析”、科技兴农重点攻关项目“基于图像分析及三维建模技术的黄瓜长势快速评价方法研究”、 “兰科观赏花卉分子育种技术研究与产业化应用”等。为了紧追世界科技发展水平，开启院企合作建立研究型平台的创新尝试，上海泽泉科技股份有限公司与上海市农业科学院，结合双方各自的优势，于2021年5月在上海农业科学院庄行试验站联合成立“上海市农业科学院庄行综合试验站泽泉科技植物表型技术研究平台”，AgriPhenoTM平台从上海浦东孙桥现代农业园区整体迁出，并入新建的植物表型技术研究平台。目前平台除拥有无人机表型平台、温室型和实验室型高通量表型分析系统外，还拥有现代化温室、生物学实验室、植物生理生态测量设备、农业气象测量系统和专业的数据库平台，已经具备了对植物、动物基因测序与植物表型研究的各类条件。可以承担高通量DNA提取、基因测序服务、分子辅助育种、植物生理生态研究等科研实验任务。同时可以为植物功能基因组、农业育种家提供高通量植物基因型测试、高通量植物表型测试和植物基因型-表型生物信息学数据分析等开放式服务。
近年来，随着“生物技术+人工智能+大数据、信息技术”为特征的第四次种业科技革命不断孕育，国际大型种业公司规模不断扩大，种业市场集中度持续提高。生物育种是种业创新的核心，构建现代生物育种创新体系，强化种质资源深度挖掘，突破前沿育种关键技术，培育战略性新品种，实现种业科技自强自立，是解决种源要害、打赢种业翻身仗的关键，也是牢牢把握住粮食安全主动权的根本保障。在这个大背景下，2022年9月，北大荒垦丰种业、上海泽泉科技联合成立北大荒垦丰种业-泽泉科技生物技术与表型服务中心（KA-BPSC），集中优势资源、整合集体力量，为解决种业种源“卡脖子”技术难题，打赢种业翻身仗贡献力量。
展望未来，上海泽泉科技股份有限公司希望在社会多方资源的支持和关怀下，不断提升自己，为社会提供更多、更优秀的产品和一流的服务！
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