運用VideometerMR多光譜微根管技術研究草地植物細根

微根管(minirhizotron,MR)技術自出現(xiàn)以來,因其方便、簡潔、省時省力和能夠原位觀察的特點而在植物細根(直徑<2mm)研究中發(fā)揮重要作用。草地植物細根在土壤養(yǎng)分循環(huán)和草地可持續(xù)發(fā)展中起到關鍵作用。近，丹麥歌本哈根大學學者利用多光譜微根管技術研究草地植物（深根大麥（細根的進取得突破性進展，該方法同樣適用于集中在草地植物根系產(chǎn)量、壽命及周轉(zhuǎn)速率對氣候變化、草地管理與利用以及土壤生物的響應等方面。多數(shù)研究認為CO2濃度升高和氣候變暖會增加植物細根根長、根數(shù)量或生物量,降低根系壽命;春季發(fā)生的細根壽命相對秋季發(fā)生的細根較短。刈割和人工施加氮肥對天然草地植物根系沒有顯著影響,但會成倍增加草地地上生物量,減少物種豐富度。植物細根壽命與直徑呈正相關關系,周轉(zhuǎn)速率與直徑呈負相關關系。多光譜微根管技術在今后研究的重點可圍繞4個方面:1)放牧、草地利用與管理以及土壤生物與草地植物細根的相互關系;2)根系壽命或周轉(zhuǎn)速率對土壤碳庫或養(yǎng)分庫的影響;3)氣候變化或人類活動引起草地植物根系發(fā)生變化的機制。多光譜微根管技術作為一項突破性的根系研究技術，將更好服務于草地根系表型與生態(tài)研究,促進草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)根系研究的發(fā)展。

Videometer系列多光譜成像系統(tǒng)還廣泛應用于：植物/作物表型組學研究分析；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；作物病理學分析與病原檢測；食品檢測；中藥成分分析與品質(zhì)檢測。來自哥本哈根大學、丹麥理工大學以及丹麥Videometer公司的專家在剛剛利用該設備在Plant and Soil上發(fā)表了題為A multispectral camera system for automated minirhizotron image analysis的文章，早些利用該設備進行研究的文章題為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)表時植物根系表型成像領域的突破性進展，具有劃時代的意義。

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)實性研究意義。目前在根系研究尤其是表型研究領域中，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行研究的過程中，可以使用原位的方式，無損傷的進行監(jiān)測。

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)實性研究意義。目前在根系研究尤其是表型研究領域中，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行研究的過程中，可以使用原位的方式，無損傷的進行監(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，嚴重阻礙了根系研究的深入開展?！犊茖W》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”，更是佐證了地下生態(tài)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(jié)果影響巨大。

丹麥根本哈根大學科學家等利用多光譜成像系統(tǒng)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(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(tài)學數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的RGB可見光成像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(tǒng)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(yōu)勢，并且對多光譜成像另一項*的功能進行了初步探討——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在根系研究領域的巨大潛力。

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

前言：Videometer多光譜成像系統(tǒng)生產(chǎn)商，開發(fā)了系列多光譜成像設備如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，是當前表型研究領域發(fā)表文章多、應用廣泛的多光譜成像系統(tǒng)。

摘要

背景:根是植物的關鍵器官，要實現(xiàn)產(chǎn)量穩(wěn)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(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(tǒng)實現(xiàn)。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(tǒng)以及移動雨棚。水梯度可實現(xiàn)將根觀測與冠層脅迫反應進展相關聯(lián)。 

結(jié)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(tǒng)中進行為期兩季的研究。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。盡管進一步技術開發(fā)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

北京博普特科技有限公司是丹麥Videometer公司中國區(qū)總代理，全面負責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，目前為止，利用Videometer進行研究的文章已經(jīng)多達250多篇，在近視距多光譜表型成像研究領域，Videometer無疑代表了業(yè)界水準。