1背景
 

　　根系對(duì)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(xué)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(duì)它進(jìn)行準(zhǔn)確取樣、測(cè)定、觀察存在一定困難。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)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(yán)重阻礙了根系研究的深入開(kāi)展?！犊茖W(xué)》雜志于2004年6月出版了一本專輯認(rèn)為“人類對(duì)自己腳下土壤的了解遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及對(duì)宇宙的了解”，更是佐證了地下生態(tài)學(xué)的研究難度之大。所以，根系研究方法的選擇，相對(duì)于對(duì)地上部分而言對(duì)研究結(jié)果具有更大的影響。
 

　　為了協(xié)助科研人員更好的進(jìn)行根系研究，更深入的了解地下“隱藏的一半”，澤泉生態(tài)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)期監(jiān)測(cè)植物根系的生長(zhǎng)動(dòng)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(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用盆栽植物進(jìn)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(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，進(jìn)行長(zhǎng)期的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)
 

　　2.2所需設(shè)備及用途
 

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

　　*對(duì)盆栽植物的根系進(jìn)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(zhǎng)的不同階段對(duì)根系的生長(zhǎng)進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
 

　　*大批量篩選根系突變株
 

　　**可控條件下進(jìn)行根系的生理、病理研究
 

　　2)植物根系生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CI-600(室外)
 

　　*非破壞性的原位360度多層次旋轉(zhuǎn)式掃描成像系統(tǒng)
 

　　*可定點(diǎn)、連續(xù)觀測(cè)根系在整個(gè)生長(zhǎng)季的動(dòng)態(tài)變化
 

　　*大批量埋設(shè)根管，大量樣點(diǎn)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)
 

　　3)植物根系分析軟件WinRHIZOTronMF
 

　　*對(duì)RootVizFS和CI-600的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析
 

　　*可以分別對(duì)總根、活動(dòng)根、活動(dòng)根段的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)間獲得的圖像，進(jìn)行時(shí)空動(dòng)力學(xué)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(guó)R&D100大獎(jiǎng)(“發(fā)明界的奧斯卡獎(jiǎng)”)的產(chǎn)品。RootVizFS可以高效、高精度、非破壞性的對(duì)盆栽植物的根系進(jìn)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(zhǎng)的不同階段對(duì)根系進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
 

　　3.1對(duì)植物根系進(jìn)行X-光掃描成像的原理
 

　　植物根系生長(zhǎng)在特制的X-光可穿透的培養(yǎng)容器和培養(yǎng)介質(zhì)中，一側(cè)用低能數(shù)字X-光發(fā)射器發(fā)出X-射線，穿過(guò)培養(yǎng)容器和介質(zhì)后在另一側(cè)通過(guò)閃爍發(fā)光體將X-射線轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光，然后利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。由于培養(yǎng)容器和介質(zhì)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(huì)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(kāi)關(guān)的防護(hù)門(mén)，當(dāng)門(mén)關(guān)閉后，所有X-射線被屏蔽掉。儀器外殼帶有內(nèi)鎖，不會(huì)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(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
 

　　*獲得原位根系角度信息
 

　　**可控條件下的生理、病理實(shí)驗(yàn)
 

　　*大規(guī)?？焖俸Y選根系突變株
 

　　3.3根系X-光掃描成像系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)
 

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

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

　　*精確的三維調(diào)節(jié)工作臺(tái):精度達(dá)25mm
 

　　*速度：平面圖25株/h；立體圖15株/h
 

　　*范圍：zui大根長(zhǎng)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(yīng)用實(shí)例
 

　　應(yīng)用實(shí)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(lán)立體眼鏡可以觀看立體效果)(為了排版方便，將實(shí)際圖片旋轉(zhuǎn)了90度)
 

　　應(yīng)用實(shí)例二：根系生長(zhǎng)發(fā)育的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
 

　　玉米出苗后40天的根系動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)
 

　　(利用紅/藍(lán)立體眼鏡可以觀看立體效果)
 

　　應(yīng)用實(shí)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(jìn)行分析，而傳統(tǒng)的洗根后掃描的方法會(huì)將根系間的角度差別忽略掉
 

　　(利用紅/藍(lán)立體眼鏡可以觀看立體效果)
 

　　應(yīng)用實(shí)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(jié)果，以側(cè)根密度和主根長(zhǎng)度為坐標(biāo)軸得出的散點(diǎn)圖，可以對(duì)大豆變種的根系進(jìn)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(yīng)用實(shí)例五：根系病理學(xué)研究
 

　　感染病蟲(chóng)的玉米根系
 

　　灰點(diǎn)為蟲(chóng)卵未感染的玉米根系
 

　　4植物根系生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)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(zhuǎn)式掃描”獲取根系剖面圖像的方法。將透明根管埋設(shè)在需要研究的根系周圍后，定期使用旋轉(zhuǎn)式CCD線性掃描頭對(duì)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(duì)混合圖像進(jìn)行分析，從而跟蹤了解根系的長(zhǎng)期生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)。
 

　　4.2CI-600的特性
 

　　*非破壞性的原位測(cè)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(cè)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(diǎn)、連續(xù)觀測(cè)根系在整個(gè)生長(zhǎng)季的動(dòng)態(tài)變化
 

　　*USB數(shù)據(jù)傳輸，測(cè)量、存儲(chǔ)方便
 

　　*配合根系動(dòng)態(tài)分析軟件，后續(xù)分析功能強(qiáng)大
 

　　4.3CI-600的主要技術(shù)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(zhǎng)34.3cm
 

　　*透明根管尺寸：內(nèi)徑6.4cm，長(zhǎng)182.9cm(長(zhǎng)度可以定制)
 

　　*重量：約1Kg
 

　　4.4CI-600的應(yīng)用實(shí)例
 

　　右圖為NorthernArizonaUniversity的DylanFischer博士的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)大的專業(yè)根系分析軟件，可以對(duì)RootVizFS和CI-600的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，其主要特性如下：
 

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

　　◆活動(dòng)根的名稱和它的測(cè)量數(shù)據(jù)(長(zhǎng)度，表面積...)
 

　　◆活動(dòng)根段的編號(hào)和其測(cè)量數(shù)據(jù)(長(zhǎng)度，比表面積...)
 

　　◆可以移動(dòng)分析區(qū)域里單個(gè)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(shí)間的掃描圖像連接起來(lái)進(jìn)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(shí)空變化分析(橫軸為時(shí)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(yīng)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(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CI-600的強(qiáng)大、革命性的測(cè)量功能，以及根系分析軟件WinRHIZOTronMF的強(qiáng)大分析功能。三者有機(jī)結(jié)合，融會(huì)貫通，可以廣泛的應(yīng)用于根系研究領(lǐng)域：
 

　　◆根系的發(fā)育周期和再生周期
 

　　◆根際形態(tài)學(xué)和分類學(xué)的研究
 

　　◆根際生態(tài)過(guò)程與調(diào)控
 

　　◆推進(jìn)和開(kāi)發(fā)功能基因組學(xué)的研究
 

　　◆突變體及作物育種的鑒定和篩選
 

　　◆植物生態(tài)學(xué)研究
 

　　◆環(huán)境保護(hù)和修復(fù)
 

　　◆能源苗木的培養(yǎng)及果樹(shù)育苗與引種
 

　　◆森林培育和林學(xué)
 

　　◆花卉栽培和保護(hù)
 

　　◆細(xì)根生理和功能異質(zhì)
 

　　◆根系周轉(zhuǎn)和生態(tài)驅(qū)動(dòng)
 

　　◆農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中作物生長(zhǎng)及節(jié)水灌溉
 

　　◆防風(fēng)固沙與水土保持
 

　　◆根系對(duì)鹽、干旱、重金屬等逆境脅迫的生理生態(tài)響應(yīng)
 

　　◆植物病理學(xué)的研究
 

　　利用這套系統(tǒng)，可以對(duì)盆栽植物進(jìn)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(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，進(jìn)行長(zhǎng)期的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)
 

　　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(zhǎng)期監(jiān)測(cè)根系的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，*打破了長(zhǎng)期以來(lái)根系研究的瓶頸。植物根系X-光掃描成像分析系統(tǒng)RootVizFS側(cè)重于室內(nèi)研究，是目前世界上的根系研究系統(tǒng)，幾乎可以應(yīng)用于所有和根系有關(guān)的研究中。美國(guó)能源部利用其開(kāi)展對(duì)美國(guó)白楊生物能源開(kāi)發(fā)利用，杜克大學(xué)的BenefyLab利用其進(jìn)行功能基因組學(xué)研究，探討植物抗逆機(jī)制。植物根系生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CI-600側(cè)重于室外研究，是微根窗(minirhizotron)技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)品，在國(guó)外已廣泛地應(yīng)用于森林、草地、沙漠、果園及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)等植物根系研究中。這兩種技術(shù)在根系研究進(jìn)程中都被認(rèn)為是重要的里程碑，必將改變根系研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dòng)作用。