植物根系生长监测系统

简要描述：CID公司在个性地推出了“土壤洞穴*（360度）多层次旋转式扫描，获取直观1:1不变形根系剖面图像的方法"，即CI-600植物根系生长监测系统的方法

更新日期：2025-03-28
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详细介绍

　　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(ZealquestLaboratoryforEcologicalResearch)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)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)植物根系生长监测系统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RootVizFS(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

　　**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

　　**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WinRHIZOTronMF

　　*对RootVizFS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RootVizFS

　　为植物根系拍摄X-光照片的系统，获得2007年美国R&D100大奖(“发明界的奥斯卡奖”)的产品。RootVizFS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*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

　　**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；35uspotsize

　　*X-射线数码相机:1024x1024CMOS；GdOsScintillator

　　*精确的三维调节工作台:精度达25mm

　　*速度：平面图25株/h；立体图15株/h

　　*范围：zui大根长0.6m；zui大高度2.1m

　　*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

　　玉米幼苗根系的X-光立体成像

　　(利用红/蓝立体眼镜可以观看立体效果)(为了排版方便，将实际图片旋转了90度)

　　应用实例二：根系生长发育的长期动态监测

　　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)

　　应用实例三：不同品种间根系角度差异分析

　　两种水稻(Ra4993和Ra5531)的不同变种间根系的差异，利用植物根系X-光扫描成像分析系统可以容易的进行分析，而传统的洗根后扫描的方法会将根系间的角度差别忽略掉

　　(利用红/蓝立体眼镜可以观看立体效果)

　　应用实例四：根系系统分类

　　利用肉眼很难区分不同变种的大豆根根系，而根据植物根系X-光扫描成像分析系统的结果，以侧根密度和主根长度为坐标轴得出的散点图，可以对大豆变种的根系进行分类。上图中，多根变种分布于中心线的上部，而正常品种分布于中心线的下部。也可以做成分类模型。这种方法可用于快速扫描后代的多根特性。

　　应用实例五：根系病理学研究

　　感染病虫的玉米根系

　　灰点为虫卵未感染的玉米根系

　　4植物根系生长监测监测系统CI-600

　　4.1CI-600的原理

　　CI-600是*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。

　　4.2CI-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21.56x19.56cm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

　　4.3CI-600的主要技术参数

　　*扫描头分辨率：zui大1200dpi或188兆像素

　　*单图尺寸：21.56x19.56cm

　　*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

　　4.4CI-600的应用实例

　　右图为NorthernArizonaUniversity的DylanFischer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21.59x19.56cm。

　　(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WinRHIZOTronMF

　　根系分析软件WinRHIZOTronMF是一款功能非常强大的专业根系分析软件，可以对RootVizFS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)

　　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RootVizFS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WinRHIZOTronMF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，*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RootVizFS侧重于室内研究，是目前世界上的根系研究系统，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BenefyLab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。

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