植物根系生长监测系统

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）全方位分析植物根系
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
＊ 全方位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
＊ 完全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
全球第一款为植物根系拍摄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
＊ 完全可控条件下的生理、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：最大根长0.6 m；最大高度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

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 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是全球第一套“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：最大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，彻底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，是目前世界上最先进的根系研究系统，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）技术应用的最先进产品，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。