高光譜成像技術(shù)在根系表型分析中的應(yīng)用

    根系是植物的重要組成部分，植物吸收土壤中的水分與養(yǎng)分全依賴根系，所以根系的研究對(duì)于植物各學(xué)科來(lái)說(shuō)都至關(guān)重要，但是根系分布在地面以下，而且是動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)的，這就給根系的監(jiān)測(cè)帶來(lái)了很多困難。《Nature》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。

    傳統(tǒng)的根窗或微根窗彩色成像技術(shù)是利用顏色識(shí)別根系，前提是根系和土壤之間要有比較明顯的反差，但實(shí)際根系生長(zhǎng)在土壤中，顏色差異并不明顯，這樣根系識(shí)別可能會(huì)造成比較大的誤差，RGB成像技術(shù)使用就會(huì)受限。高光譜成像技術(shù)基于光譜特征在根系識(shí)別上具備明顯優(yōu)勢(shì)，并且光譜特征對(duì)于根系生化特性的識(shí)別例如細(xì)根發(fā)生、成熟、衰老、死亡的周轉(zhuǎn)過(guò)程，根際分泌物成分的變化等，都顯示了高光譜成像技術(shù)在根系研究領(lǐng)域的巨大潛力。

    奧地利自然資源與生命科學(xué)大學(xué)（University of Natural Resources and Life Sciences）作物科學(xué)系的Gernot Bodner等利用Specim高光譜成像技術(shù)，以硬粒小麥(Triticum durum)為研究對(duì)象，以5nm的光譜分辨率（900nm-1700 nm之間256個(gè)光譜帶），定期通過(guò)根窗進(jìn)行高光譜成像分析，空間分辨率達(dá)0.1 mm。原始光譜圖像經(jīng)過(guò)算法處理后得到目標(biāo)根系圖像，隨后進(jìn)行閾值分割、模糊聚類等模型分析，得到根系的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)、根系生長(zhǎng)衰老動(dòng)態(tài)乃至根系生化數(shù)據(jù)。

1649-1447 nm光譜反射率和根系衰變過(guò)程的關(guān)系（右圖柱狀標(biāo)尺顯示為天數(shù)）

北京易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供根系觀測(cè)研究技術(shù)全面解決方案：

• MiniRhizotron微根窗技術(shù)根系觀測(cè)系統(tǒng)方案，包括根系與土壤水分同步監(jiān)測(cè)技術(shù)方案
• Rhizotron根窗技術(shù)原位（in-situ）根系表型成像分析技術(shù)方案，包括RGB掃描成像分析技術(shù)、Specim高光譜成像分析技術(shù)、根系生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)（土壤水、溫度、光源、O2等環(huán)境因子監(jiān)控）
• PlantScreen全自動(dòng)高通量根系表型成像分析系統(tǒng)（RGB成像技術(shù)）
• Specim高光譜根系掃描成像分析系統(tǒng)（ex-situ技術(shù)，洗根后掃描成像分析）
• SisuCHEMA高光譜成像分析系統(tǒng)
• ScieTrace LIBS根系元素分布分析系統(tǒng)

左圖為不同直徑細(xì)根高光譜成像反射光譜；右圖為不同濃度Cu²⁺溶液處理蠶豆幼苗根橫切面LIBS元素分布分析結(jié)果（a,b,c,d），e）為樣品區(qū)特征譜線，f）Cu²⁺濃度降低其對(duì)應(yīng)譜線強(qiáng)度也依次降低