根系是土壤和植物的動態(tài)界面,對植物和土壤均具有重要意義。但由于根系深處地下,觀測研究十分不便,導致根系研究在廣度、深度上均落后于地上部分。隨著對根系在植物表型研究、生態(tài)系統(tǒng)以及碳平衡中重要作用的認識，根系漸漸成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點之一。

微根管技術(shù)的誕生和應用,使根系研究手段得到了進一步發(fā)展,成為根系研究技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。微根管技術(shù)主要由透明觀察管、觀測設(shè)備和記錄設(shè)備組成,觀測設(shè)備曾先后使用了普通鏡子、觀察鏡和相機(或攝像機),記錄設(shè)備也相應地經(jīng)歷了手工繪制、傳統(tǒng)黑白、彩色相片或錄像帶以及高清晰數(shù)字圖像。同時,還開發(fā)了多種圖像自動分析系統(tǒng),使該項技術(shù)日臻完善。微根管技術(shù)可以以非破壞方式,定期對同一根系的出現(xiàn)、生長、衰老、死亡和消失進行連續(xù)觀察,對根系伸長、根系密度、扎根深度、側(cè)根伸展、分枝特性、菌根特性以及細根動態(tài)、根系生命周期和分解等進行觀測研究,同時,也可開展根系對不同處理響應的研究。因此,微根管技術(shù)必將在農(nóng)業(yè)、林業(yè)和環(huán)境等科學領(lǐng)域得到越來越廣泛的應用。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；根際分泌物成分的變化；根系病害等），顯示了多光譜成像技術(shù)在根系研究領(lǐng)域的巨大潛力。鑒于傳統(tǒng)微根管法受限于常規(guī)RGB相機的信息采集功能以及配套軟件的數(shù)據(jù)處理能力，更為強大的，同時具有光譜和圖像學信息有點的多光譜根系表型成像被應用于該領(lǐng)域研究并取得了突破性、革新性的進展。

Videometer作為技術(shù)領(lǐng)先的多光譜成像系統(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聯(lián)合開發(fā)了Radimax深根研究用微根管多光譜成像系統(tǒng)，目前利用Videometer系統(tǒng)發(fā)表的文章已經(jīng)超過了300篇，是當前表型研究領(lǐng)域發(fā)表文章多、應用廣泛的多光譜成像系統(tǒng)。

哥本哈根大學、丹麥理工大學以及丹麥Videometer公司的專家利用該設(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(lǐng)域的突破性進展。

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、作物、草還是深根系喬木，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(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。

根是植物的關(guān)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(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。

科學家等利用多光譜成像系統(tǒng)對植物植株、根系進行成像額深度學習研究，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自帶軟件一系列深度學習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)。

丹麥根本哈根大學科學家近另外發(fā)表的一篇文章題為Construction of a large-scale semi-feld facility to study genotypic diferences in deep root growth and resources acquisition，主要內(nèi)容如下：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(shè)施安裝有多深度亞灌溉系統(tǒng)以及移動雨棚。水梯度可實現(xiàn)將根觀測與冠層脅迫反應進展相關(guān)聯(lián)。

結(jié)論:要驗證以上技術(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(shù)開發(fā)和技術(shù)驗證還在進行中，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。

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(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。

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300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)界水準。?

利用原位多光譜微根管表型自動成像系統(tǒng)發(fā)表的部分文章

1.Implementation of field phenotyping in crop improvement-above and below ground

2.Construction of a large-scale semi-field facility to study genotypic differences in deep root growth and resources acquisition

3.The cytosine methylation landscape of spring barley revealed by a new reduced representation bisulfite sequencing pipeline, WellMeth

4.Nordic research infrastructures for plant phenotyping

5.A transnational and holistic breeding approach is needed for sustainable wheat production in the Baltic Sea region

6.Semifield root phenotyping: Root traits for deep nitrate uptake

7.The phenotyping dilemma—The challenges of a diversified phenotyping community

8.Testing deep placement of an 15N tracer as a method for in situ deep root phenotyping of wheat, barley and ryegrass

9.DES RéSULTATS SUR LES RACINES PROFONDES VIENNENT RENFORCER L'AVENIR DE L'AC

10.Characterization of NS safflower (Carthamus tinctorius L.) and false flax (Camelina sativa L.) collections

11.Genomic prediction of yield and root development in wheat under changing water availability

12.A multispectral camera system for automated minirhizotron image analysis

相關(guān)儀器

Plantarray根系生理表型測量系統(tǒng)

Frauhofer植物根系表型計算機斷層掃描（CT）成像