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植物根系图像分析仪

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的方法

  • 更新日期:2024-01-30
  • 访  问  量: 6205

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(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)*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
* *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
*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*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。









小型分析系统

大型分析系统

大型分析系统的内部构造


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;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:zui大根长0.6 m;zui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

玉米幼苗根系的X-光立体成像
(利用/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

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/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/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
图中灰点为虫卵 未感染的玉米根系


4 植物根系生长监测监测系统CI-600

4.1 CI-600的原理
植物根系生长监测系统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。


4.2 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:zui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)

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,*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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