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，在生態系統的生物

上海澤泉科技有限公司是一家專業從事生態儀器技術推廣和系統集成服務的高科技公司，致力于為植物、土壤、氣象、環境、海洋與淡水領域的科研和監測單位提供產品、系統解決方案與系統集成服務。公司總部位于上海，并在北京和成都設有分部。

澤泉科技由陸地環境部、水環境部和系統集成部組成，并設有澤泉生態開放實驗室。

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，在生態系統的生物地球化學循環中扮演著重要角色。但是，由于根系是大多數陸地生態系統“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”，澤泉生態開放實驗室(Zealquest Laboratory for Ecological Research)推出一套根系研究的系統解決方案，希望這套方案能為科研人員的研究起到一定的幫助。

2 根系研究的系統解決方案
2.1 功能
1)原位、非破壞的研究植物根系
2)全方位分析植物根系
3)長期監測植物根系的生長動態
4)大容量、高效率、高精度的獲取根系信息
5)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，繼續進行長期監測，進行長期的系統性實驗

2.2 所需設備及用途
1)植物根系X-光掃描成像分析系統RootViz FS(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
＊ 全方位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監測
＊ 大批量篩選根系突變株
＊ 完全可控條件下進行根系的生理、病理研究

2)植物根系生長監測監測系統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
＊ 可定點、連續觀測根系在整個生長季的動態變化
＊ 大批量埋設根管，大量樣點的長期監測

3)植物根系分析軟件WinRHIZO Tron MF
＊ 對RootViz FS和CI-600的測量結果進行分析
＊ 可以分別對總根、活動根、活動根段的測量數據進行全面分析
＊ 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RootViz FS
全球一款為植物根系拍攝X-光照片的系統，獲得2007年美國R&D 100大獎(“發明界的奧斯卡獎”)的產品。RootViz FS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，可以全方位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監測。

小型分析系統	大型分析系統	大型分析系統的內部構造

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-光可穿透的培養容器和培養介質中，一側用低能數字X-光發射器發出X-射線，穿過培養容器和介質后在另一側通過閃爍發光體將X-射線轉換成可見光，然后利用數碼相機進行檢測。由于培養容器和介質可被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
＊ 進行長期動態監測
＊ 獲得原位根系角度信息
＊ 完全可控條件下的生理、病理實驗
＊ 大規模快速篩選根系突變株

3.3 根系X-光掃描成像系統的主要技術參數
＊ X-射線發生器: 20KeV@800mA；35u spot size
＊ X-射線數碼相機: 1024 x 1024 CMOS；GdOs Scintillator
＊ 精確的三維調節工作臺: 精度達25 mm
＊ 速度：平面圖25株/h；立體圖15株/h
＊ 范圍：zui大根長0.6 m；zui大高度2.1 m
＊ 分辨率：2000×2048像素

3.4 根系X-光掃描成像系統的應用實例
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：根系生長發育的長期動態監測

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天的根系動態生長監測
(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可以容易的進行分析，而傳統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：根系系統分類

利用肉眼很難區分不同變種的大豆根根系，而根據植物根系X-光掃描成像分析系統的結果，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 圖中灰點為蟲卵 未感染的玉米根系

4 植物根系生長監測監測系統CI-600
4.1 CI-600的原理
植物根系生長監測系統CI-600是全球一套“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，然后借助專業根系分析軟件系統對混合圖像進行分析，從而跟蹤了解根系的長期生長動態。

4.2 CI-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21.56 x 19.56cm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、連續觀測根系在整個生長季的動態變化
＊ USB數據傳輸，測量、存儲方便
＊ 配合根系動態分析軟件，后續分析功能強大

4.3 CI-600的主要技術參數
＊ 掃描頭分辨率：zui大1200dpi或188兆像素
＊ 單圖尺寸：21.56 x 19.56 cm
＊ 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

４.4 CI-600的應用實例
右圖為Northern Arizona University的Dylan Fischer博士的實驗結果，從上到下為連續掃描的6張360度圖片拼接在一起，每張圖片的原始尺寸為21.59 x 19.56 cm。
(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WinRHIZO Tron MF
根系分析軟件WinRHIZO Tron MF是一款功能非常強大的專業根系分析軟件，可以對RootViz FS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、平均直徑和數目的提示)
◆ 活動根的名稱和它的測量數據(長度，表面積...)
◆ 活動根段的編號和其測量數據(長度，比表面積...)
◆ 可以移動分析區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，兼容多數表格程序(如Excel)

時空變化分析(橫軸為時間，不同季節；縱軸為空間，不同深度)

6 根系研究系統解決方案的應用
這套根系研究的系統解決方案綜合了植物根系X-光掃描成像分析系統RootViz FS和植物根系生長監測系統CI-600的強大、革命性的測量功能，以及根系分析軟件WinRHIZO Tron MF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：
◆ 根系的發育周期和再生周期
◆ 根際形態學和分類學的研究
◆ 根際生態過程與調控
◆ 推進和開發功能基因組學的研究
◆ 突變體及作物育種的鑒定和篩選
◆ 植物生態學研究
◆ 環境保護和修復
◆ 能源苗木的培養及果樹育苗與引種
◆ 森林培育和林學
◆ 花卉栽培和保護
◆ 細根生理和功能異質
◆ 根系周轉和生態驅動
◆ 農業生態系統中作物生長及節水灌溉
◆ 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響應
◆ 植物病理學的研究
利用這套系統，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，繼續進行長期監測，進行長期的系統性實驗

7 展望
這套根系研究的系統解決方案用于原位、非破壞性地研究根系，可以長期監測根系的生長動態，徹底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RootViz FS側重于室內研究，是目前世界上先進的根系研究系統，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利用，杜克大學的Benefy Lab利用其進行功能基因組學研究，探討植物抗逆機制。植物根系生長監測監測系統CI-600側重于室外研究，是微根窗(minirhizotron)技術應用的先進產品，在國外已廣泛地應用于森林、草地、沙漠、果園及農業生態系統等植物根系研究中。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狀，為根系研究的跨越式發展起到巨大的推動作用。
 

 

 

 

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