植物根系生長監(jiān)測系統(tǒng)

簡要描述：CID公司在個性地推出了“土壤洞穴*（360度）多層次旋轉式掃描，獲取直觀1:1不變形根系剖面圖像的方法"，即CI-600植物根系生長監(jiān)測系統(tǒng)的方法

更新日期：2025-06-18
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詳細介紹

　　1背景

　　根系對植物起著支撐作用，是植物的吸水器官，吸鹽器官，在生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學循環(huán)中扮演著重要角色。但是，由于根系是大多數(shù)陸地生態(tài)系統(tǒng)“隱藏的一半”，對它進行準確取樣、測定、觀察存在一定困難。長期以來，對根系的研究主要還是采用挖掘法、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。《科學》雜志于2004年6月出版了一本專輯認為“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)學的研究難度之大。所以，根系研究方法的選擇，相對于對地上部分而言對研究結果具有更大的影響。

　　為了協(xié)助科研人員更好的進行根系研究，更深入的了解地下“隱藏的一半”，澤泉生態(tài)開放實驗室(ZealquestLaboratoryforEcologicalResearch)推出一套根系研究的系統(tǒng)解決方案，希望這套方案能為科研人員的研究起到一定的幫助。

　　2根系研究的系統(tǒng)解決方案

　　2.1功能

　　1)原位、非破壞的研究植物根系

　　2)分析植物根系

　　3)長期監(jiān)測植物根系的生長動態(tài)

　　4)大容量、高效率、高精度的獲取根系信息

　　5)植物根系生長監(jiān)測系統(tǒng)利用盆栽植物進行大批量快速篩選，獲得合適的突變株后直接移植到室外土壤中，繼續(xù)進行長期監(jiān)測，進行長期的系統(tǒng)性實驗

　　2.2所需設備及用途

　　1)植物根系X-光掃描成像分析系統(tǒng)RootVizFS(室內)

　　*對盆栽植物的根系進行原位成像分析，可以拍攝根系的X-光立體照片

　　**分析植物根系所有部分

　　*在植物生長的不同階段對根系的生長進行長期動態(tài)監(jiān)測

　　*大批量篩選根系突變株

　　**可控條件下進行根系的生理、病理研究

　　2)植物根系生長監(jiān)測監(jiān)測系統(tǒng)CI-600(室外)

　　*非破壞性的原位360度多層次旋轉式掃描成像系統(tǒng)

　　*可定點、連續(xù)觀測根系在整個生長季的動態(tài)變化

　　*大批量埋設根管，大量樣點的長期監(jiān)測

　　3)植物根系分析軟件WinRHIZOTronMF

　　*對RootVizFS和CI-600的測量結果進行分析

　　*可以分別對總根、活動根、活動根段的測量數(shù)據(jù)進行全面分析

　　*可以改變顯示信息的顏色，給圖片、根系和片段添加注釋

　　*可以拼接不同深度、不同時間獲得的圖像，進行時空動力學變化分析

　　3植物根系X-光掃描成像系統(tǒng)RootVizFS

　　為植物根系拍攝X-光照片的系統(tǒng)，獲得2007年美國R&D100大獎(“發(fā)明界的奧斯卡獎”)的產品。RootVizFS可以高效、高精度、非破壞性的對盆栽植物的根系進行原位成像分析，可以*分析植物根系的所有部分(包括根尖等)，并且可以在植物生長的不同階段對根系進行長期動態(tài)監(jiān)測。

　　3.1對植物根系進行X-光掃描成像的原理

　　植物根系生長在特制的X-光可穿透的培養(yǎng)容器和培養(yǎng)介質中，一側用低能數(shù)字X-光發(fā)射器發(fā)出X-射線，穿過培養(yǎng)容器和介質后在另一側通過閃爍發(fā)光體將X-射線轉換成可見光，然后利用數(shù)碼相機進行檢測。由于培養(yǎng)容器和介質可被X-光穿透，而根系不被穿透，這樣就獲得了根系的X-光影像圖。由于選擇的是低能X-光，即使密度很低的根尖也不會被穿透，這樣就可以獲得全面的根系信息。X-光發(fā)射器前帶有可開關的防護門，當門關閉后，所有X-射線被屏蔽掉。儀器外殼帶有內鎖，不會發(fā)生X-光泄漏。

　　3.2根系X-光成像的特性

　　*高分辨率的X-光立體成像

　　*進行長期動態(tài)監(jiān)測

　　*獲得原位根系角度信息

　　**可控條件下的生理、病理實驗

　　*大規(guī)模快速篩選根系突變株

　　3.3根系X-光掃描成像系統(tǒng)的主要技術參數(shù)

　　*X-射線發(fā)生器:20KeV@800mA；35uspotsize

　　*X-射線數(shù)碼相機:1024x1024CMOS；GdOsScintillator

　　*精確的三維調節(jié)工作臺:精度達25mm

　　*速度：平面圖25株/h；立體圖15株/h

　　*范圍：zui大根長0.6m；zui大高度2.1m

　　*分辨率：2000×2048像素

　　3.4根系X-光掃描成像系統(tǒng)的應用實例

　　應用實例一：根系的X-光立體成像

　　玉米幼苗根系的X-光立體成像

　　(利用紅/藍立體眼鏡可以觀看立體效果)(為了排版方便，將實際圖片旋轉了90度)

　　應用實例二：根系生長發(fā)育的長期動態(tài)監(jiān)測

　　玉米出苗后40天的根系動態(tài)生長監(jiān)測

　　(利用紅/藍立體眼鏡可以觀看立體效果)

　　應用實例三：不同品種間根系角度差異分析

　　兩種水稻(Ra4993和Ra5531)的不同變種間根系的差異，利用植物根系X-光掃描成像分析系統(tǒng)可以容易的進行分析，而傳統(tǒng)的洗根后掃描的方法會將根系間的角度差別忽略掉

　　(利用紅/藍立體眼鏡可以觀看立體效果)

　　應用實例四：根系系統(tǒng)分類

　　利用肉眼很難區(qū)分不同變種的大豆根根系，而根據(jù)植物根系X-光掃描成像分析系統(tǒng)的結果，以側根密度和主根長度為坐標軸得出的散點圖，可以對大豆變種的根系進行分類。上圖中，多根變種分布于中心線的上部，而正常品種分布于中心線的下部。也可以做成分類模型。這種方法可用于快速掃描后代的多根特性。

　　應用實例五：根系病理學研究

　　感染病蟲的玉米根系

　　灰點為蟲卵未感染的玉米根系

　　4植物根系生長監(jiān)測監(jiān)測系統(tǒng)CI-600

　　4.1CI-600的原理

　　CI-600是*套“土壤原位360度多層次旋轉式掃描”獲取根系剖面圖像的方法。將透明根管埋設在需要研究的根系周圍后，定期使用旋轉式CCD線性掃描頭對根系360度多層次掃描，然后借助專業(yè)根系分析軟件系統(tǒng)對混合圖像進行分析，從而跟蹤了解根系的長期生長動態(tài)。

　　4.2CI-600的特性

　　*非破壞性的原位測量

　　*可獲取188兆像素高分辨率彩色圖像

　　*不變形的線性掃描

　　*每次掃描可獲得21.56x19.56cm的高分辨率圖像

　　*極便攜、易操作、測量快

　　*可以掃描根系不同層次的圖像，合成后獲得整體根系的剖面圖

　　*可定點、連續(xù)觀測根系在整個生長季的動態(tài)變化

　　*USB數(shù)據(jù)傳輸，測量、存儲方便

　　*配合根系動態(tài)分析軟件，后續(xù)分析功能強大

　　4.3CI-600的主要技術參數(shù)

　　*掃描頭分辨率：zui大1200dpi或188兆像素

　　*單圖尺寸：21.56x19.56cm

　　*掃描速度：5～15s

　　*電腦接口：USB

　　*供電：電腦USB供電

　　*掃描頭尺寸：直徑6.4cm，長34.3cm

　　*透明根管尺寸：內徑6.4cm，長182.9cm(長度可以定制)

　　*重量：約1Kg

　　4.4CI-600的應用實例

　　右圖為NorthernArizonaUniversity的DylanFischer博士的實驗結果，從上到下為連續(xù)掃描的6張360度圖片拼接在一起，每張圖片的原始尺寸為21.59x19.56cm。

　　(這里為了排版需要，將圖片的分辨率大大降低)

　　5植物根系分析軟件WinRHIZOTronMF

　　根系分析軟件WinRHIZOTronMF是一款功能非常強大的專業(yè)根系分析軟件，可以對RootVizFS和CI-600的測量結果進行分析，其主要特性如下：

　　◆總根測量(根長、表面積、投影面積、體積、平均直徑和數(shù)目的提示)

　　◆活動根的名稱和它的測量數(shù)據(jù)(長度，表面積...)

　　◆活動根段的編號和其測量數(shù)據(jù)(長度，比表面積...)

　　◆可以移動分析區(qū)域里單個根或所有根系

　　◆可以改變顯示信息的顏色

　　◆可以給圖片、根系和片段添加注釋

　　◆可以將根管不同深度不同時間的掃描圖像連接起來進行整體分析

　　◆文件以ASCII文本格式保存，兼容多數(shù)表格程序(如Excel)

　　時空變化分析(橫軸為時間，不同季節(jié)；縱軸為空間，不同深度)

　　6根系研究系統(tǒng)解決方案的應用

　　這套根系研究的系統(tǒng)解決方案綜合了植物根系X-光掃描成像分析系統(tǒng)RootVizFS和植物根系生長監(jiān)測系統(tǒng)CI-600的強大、革命性的測量功能，以及根系分析軟件WinRHIZOTronMF的強大分析功能。三者有機結合，融會貫通，可以廣泛的應用于根系研究領域：

　　◆根系的發(fā)育周期和再生周期

　　◆根際形態(tài)學和分類學的研究

　　◆根際生態(tài)過程與調控

　　◆推進和開發(fā)功能基因組學的研究

　　◆突變體及作物育種的鑒定和篩選

　　◆植物生態(tài)學研究

　　◆環(huán)境保護和修復

　　◆能源苗木的培養(yǎng)及果樹育苗與引種

　　◆森林培育和林學

　　◆花卉栽培和保護

　　◆細根生理和功能異質

　　◆根系周轉和生態(tài)驅動

　　◆農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中作物生長及節(jié)水灌溉

　　◆防風固沙與水土保持

　　◆根系對鹽、干旱、重金屬等逆境脅迫的生理生態(tài)響應

　　◆植物病理學的研究

　　利用這套系統(tǒng)，可以對盆栽植物進行大批量快速篩選，獲得合適的突變株后直接移植到室外土壤中，繼續(xù)進行長期監(jiān)測，進行長期的系統(tǒng)性實驗

　　7展望

　　這套根系研究的系統(tǒng)解決方案用于原位、非破壞性地研究根系，可以長期監(jiān)測根系的生長動態(tài)，*打破了長期以來根系研究的瓶頸。植物根系X-光掃描成像分析系統(tǒng)RootVizFS側重于室內研究，是目前世界上的根系研究系統(tǒng)，幾乎可以應用于所有和根系有關的研究中。美國能源部利用其開展對美國白楊生物能源開發(fā)利用，杜克大學的BenefyLab利用其進行功能基因組學研究，探討植物抗逆機制。植物根系生長監(jiān)測監(jiān)測系統(tǒng)CI-600側重于室外研究，是微根窗(minirhizotron)技術應用的產品，在國外已廣泛地應用于森林、草地、沙漠、果園及農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)等植物根系研究中。這兩種技術在根系研究進程中都被認為是重要的里程碑，必將改變根系研究遠遠落后于地上部分研究的現(xiàn)狀，為根系研究的跨越式發(fā)展起到巨大的推動作用。

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