根系表型組學(xué)與生理生態(tài)研究系統(tǒng)在植物根系研究上的應(yīng)用及案例

根系是植物主要吸水、營(yíng)養(yǎng)物并支撐植物地上部分的重要器官,是植物研究的熱點(diǎn)之一，也近年來(lái)植物表型學(xué)和作物表型組學(xué)研究熱點(diǎn)。通過(guò)對(duì)根系監(jiān)測(cè)和研究，能優(yōu)化水肥方案，促進(jìn)農(nóng)作物、林業(yè)等產(chǎn)業(yè)增產(chǎn)增效，加速植物、作物育種，有利于土地荒漠化治理、土壤修復(fù)等。但長(zhǎng)期以來(lái)，由于植物根系生長(zhǎng)環(huán)境的復(fù)雜性和不透明性,導(dǎo)致植物根系研究發(fā)展相對(duì)緩慢，對(duì)根系研究主要是采用挖掘法、土鉆法、土柱法、容器法、剖面法、傳統(tǒng)可見(jiàn)光相機(jī)成像法等傳統(tǒng)方法，采樣破壞性大、工作量大、區(qū)分效果不佳，嚴(yán)重阻礙了根系研究的深入開(kāi)展�！犊茖W(xué)》雜志曾出版專輯認(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”，更是佐證了地下根系研究、生態(tài)學(xué)研究難度之大。因此，對(duì)根系研究方法的選擇和改進(jìn)，對(duì)科研結(jié)果影響巨大。

根系成像技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展為植物根系的研究提供了更直觀、有效的研究方法，如中子成像技術(shù)、X射線掃描技術(shù)、核磁共振成像技術(shù)、探地雷達(dá)、熒光成像技術(shù)、激光共聚焦成像技術(shù)、多光譜成像技術(shù)、高光譜成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)等，非成像方法包括根系功能生理表型測(cè)量技術(shù)等，根據(jù)植物的生長(zhǎng)特性以及生長(zhǎng)環(huán)境狀況,利用多種成像模塊監(jiān)測(cè)根系發(fā)育且不破壞其生長(zhǎng)。

丹麥Videometer公司開(kāi)發(fā)的原位根系多光譜表型成像系統(tǒng)，是做根系研究的革新性專業(yè)設(shè)備，無(wú)論對(duì)于淺根系園藝蔬菜、作物種質(zhì)資源、草種質(zhì)資源還是深根系林木種質(zhì)資源，都具有現(xiàn)實(shí)性研究意義。目前在根系研究尤其是表型研究領(lǐng)域中，對(duì)于草類、玉米根系和小麥根系所作的研究比較多，但大多還采用傳統(tǒng)不可重復(fù)的挖掘方法。植物根系原位多光譜表型成像系統(tǒng)出現(xiàn)，改變了這種情況，使得植物研究人員在對(duì)根系進(jìn)行研究的過(guò)程中，可以使用原位的方式、高分辨率、無(wú)損傷的進(jìn)行監(jiān)測(cè)，多光譜成像技術(shù)，因具有圖譜合一的特點(diǎn)，今年成為植物科學(xué)研究的熱點(diǎn)。

原位根系多光譜微根管表型成像系統(tǒng)
該系統(tǒng)分為單通道原位根系多光譜微根管表型成像系統(tǒng)以及多通道原位根系多光譜微根管表型成像系統(tǒng)，前者可以便攜攜帶，是傳統(tǒng)RGB成像的跨越和升級(jí)，后者主要用于設(shè)施規(guī)劃中的高通量根系成像研究。

單通道原位根系多光譜表型成像系統(tǒng)

多通道原位根系多光譜表型成像系統(tǒng)

5個(gè)波段下多光譜成像（405、450、590、660、940）

 

5波段多光譜假彩RGB成像圖

丹麥根本哈根大學(xué)科學(xué)家等利用多光譜成像系統(tǒng)對(duì)植物植株、根系進(jìn)行成像研究，取得了前瞻性的成果。該研究以深根系大麥為研究對(duì)象，將大麥下方埋了有3m長(zhǎng)的微根管，使用Videometer公司的Videometer MR多光譜成像系統(tǒng)，定期通過(guò)根窗透明面對(duì)根系成像分析。原始光譜圖像經(jīng)過(guò)Videometer自帶軟件一系列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)。

 

 

傳統(tǒng)的RGB可見(jiàn)光成像技術(shù)目前是業(yè)界使用較多的技術(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色差，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可見(jiàn)光成像技術(shù)使用就會(huì)受限。歌本哈根將多光譜成像技術(shù)和傳統(tǒng)的RGB成像技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比，顯示多光譜成像技術(shù)基于光譜特征在根系識(shí)別上的明顯優(yōu)勢(shì)，該系統(tǒng)可對(duì)顏色精確定量，符合國(guó)際通用的CIE色域空間顏色標(biāo)準(zhǔn)，可以區(qū)分異質(zhì)的物質(zhì)，如土壤和植物組織，可對(duì)土壤和根系分辨進(jìn)行圖像切割，專門(mén)對(duì)ROI感興趣區(qū)域進(jìn)行研究，也可區(qū)分新根和宿根以及正常根與發(fā)生病害的根系，系統(tǒng)分辨率高，可達(dá)30um/像素�？茖W(xué)家對(duì)多光譜成像的功能進(jìn)行了探討-即多光譜特征對(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；例如根際分泌物成分的變化等），顯示了多光譜成像技術(shù)在根系研究領(lǐng)域的巨大潛力。

 

 

研究案例1
Construction of a large-scale semi-feld facility to study genotypic diferences in deep root growth and resources acquisition

摘要
背景:根是植物的關(guān)鍵器官，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量穩(wěn)定，有效利用來(lái)自土壤資源至關(guān)重要。但作物基因型之間的根性狀表型變異多數(shù)還未知，田間根系發(fā)育篩查昂貴且耗力。因此，函待開(kāi)發(fā)在田間進(jìn)行全生長(zhǎng)植物根系性狀、特別是位于土壤深層的根系研究的新方法。

結(jié)果:研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型表型設(shè)施(RadiMax)用于在半田間條件下研究根系生長(zhǎng)以及土壤資源獲取。設(shè)施包括4個(gè)單元，每個(gè)單元面積為400m2，分別安裝有150根微根管，允許對(duì)0.4 m–1.8 m或 0.7 m–2.8 m土壤深度間隔的根進(jìn)行觀察。根系觀測(cè)通過(guò)多光譜微根光成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。植物生長(zhǎng)行與水分梯度垂直，設(shè)施安裝有多深度亞灌溉系統(tǒng)以及移動(dòng)雨棚。水梯度可實(shí)現(xiàn)將根觀測(cè)與冠層脅迫反應(yīng)進(jìn)展相關(guān)聯(lián)。

結(jié)論:要驗(yàn)證以上技術(shù)概念，選擇了栽培種春大麥 (Hordeum vulgare L.) ，種植在該系統(tǒng)中進(jìn)行為期兩季的研究。利用該系統(tǒng)可觀測(cè)到不同深根生長(zhǎng)基因型差異，在水梯度下，可觀測(cè)到地上部的生理反應(yīng)。盡管進(jìn)一步技術(shù)開(kāi)發(fā)和技術(shù)驗(yàn)證還在進(jìn)行中，半田間設(shè)施不失為一種在土壤深層鑒別土壤資源有效利用的根基因差異的新方法。
關(guān)鍵詞:干旱，微根管，氮元素，表型，根，半田間土壤，水，多光譜成像

 

 

原位根系多光譜微根管表型成像系統(tǒng)成像與圖像切割
利用該系統(tǒng)發(fā)表的文獻(xiàn)
1、A multispectral camera system for automated minirhizotron image analysis
2、Construction of a large-scale semi-field facility to study genotypic differences in deep root growth and resources acquisition
3、Genomic prediction of yield and root development in wheat under changing water availability
2、根系功能生理表型測(cè)量系統(tǒng)
另一種根系研究的系統(tǒng)性方法是根系功能生理表型測(cè)量，由以色列希伯來(lái)大學(xué)開(kāi)發(fā)，是一種全局性的研究方法，在植物根系研究上得到了廣泛的應(yīng)用，發(fā)表了大量研究成果。

Plantarray是一款基于稱重的高通量、多傳感器生理表型平臺(tái)以及植物逆境生物學(xué)研究通用平臺(tái)，也可用于根系生理表型測(cè)量。該系統(tǒng)可持續(xù)、實(shí)時(shí)測(cè)量位于不同環(huán)境條件下、陣列中每個(gè)植株的土壤-植物-空氣（SPAC）中的即時(shí)水流動(dòng)。直接測(cè)量根系和莖葉系統(tǒng)水平衡和生物量增加，計(jì)算植物生理參數(shù)以及植物對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的反饋。系統(tǒng)以有效、易用、無(wú)損的方式針對(duì)植物對(duì)不同處理的反應(yīng)、預(yù)測(cè)植物生長(zhǎng)和生產(chǎn)力進(jìn)行定量比較，廣泛應(yīng)用于生物脅迫和非生物脅迫以及植物栽培加速育種研究等，脅迫研究涵蓋干旱脅迫、鹽脅迫、重金屬脅迫、熱、冷脅迫、光脅迫以及灌溉/養(yǎng)分、CO2指示、植物健康等領(lǐng)域的研究。

根系生理表型測(cè)量
根在水吸收中的作用非常重要，但是，因根位于地下，要想持續(xù)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控非常具有挑戰(zhàn)性，特別是采用無(wú)損監(jiān)測(cè)方法。
使用嵌入土壤的傳感器，可測(cè)量土壤濕度、溫度以及電導(dǎo)率，同時(shí)測(cè)量其它環(huán)境信號(hào)和生理參數(shù)，Plantarray可對(duì)多個(gè)功能性狀進(jìn)行定量評(píng)估，例如流入根的水分-土壤傳感器可持續(xù)、精確測(cè)量水流入每株植株的速率。

干旱臨界點(diǎn)
植物土壤水流入以及流出的即時(shí)平衡（蒸騰）提供了不同研究植物和處理?xiàng)l件下的冠層相對(duì)水含量（RWC）和其變異。植物RWC認(rèn)為是植物脅迫狀態(tài)的比較參照點(diǎn)。

 

圖1.干旱點(diǎn)測(cè)量模型：在土壤高水量條件下，水并非限制因子，因此植物1(P1) 和植物2 (P2)并未限制其冠層對(duì)水的需求。在水缺乏情況下，植物根很難獲得水，因此P1植物比P2更快受到水限制。Gosa et al., Plant Science (2018)

今天，多數(shù)根脅迫相關(guān)特征是形態(tài)學(xué)上的。但是，可在脅迫下鑒別并比較植物根系的生理特征系統(tǒng)更有價(jià)值。 
為何如此重要?

界定干旱的一個(gè)農(nóng)藝指標(biāo)是土壤水含量變成植物蒸騰的限制節(jié)點(diǎn)。干旱起始點(diǎn)與根利用任何可獲取水的能力高度相關(guān)。因此，具有更好根系性能的植物可能是由于根結(jié)構(gòu)、解剖形態(tài)結(jié)構(gòu)、生物化學(xué)或物理機(jī)制所致，干旱點(diǎn)值會(huì)較低（見(jiàn)圖2），韌性更佳（再次澆水后蒸騰恢復(fù)速率）。

另外的根性能功能表型鑒定基于根日常流動(dòng)速率，據(jù)報(bào)道，具有高導(dǎo)水率的根在良好灌溉和鹽條件下具有更高的蒸騰速率，從而增強(qiáng)光合作用以及增加產(chǎn)量。 

近年來(lái)，科研主要研究精力都投入到植物脅迫反應(yīng)上面。但是，盡管基因工具有了可觀的改進(jìn)，在研究投資和實(shí)際耐脅迫作物市場(chǎng)投放之間還有巨大的鴻溝。主流觀點(diǎn)接受根在植物脅迫反應(yīng)中扮演了重要角色。除了經(jīng)典的根表型研究方法（主要基于根形態(tài)學(xué)），鑒別根生理標(biāo)記在有效過(guò)程中很重要，也便利了脅迫理想型植物的培育。

 

圖2.全部期間2種西紅柿栽培種的全植物蒸騰-土壤水含量的函數(shù)：(a) 夏天和(b) 冬天干 

在鑒別關(guān)鍵點(diǎn)(Ɵcrit)，土壤水含量在脅迫下，成為植物蒸騰的限制因子。研究使用了土壤濕度探針持續(xù)、精確測(cè)量究竟何種水流入單株植物的根部(Jr) 。同時(shí)進(jìn)行流速、其它環(huán)境信號(hào)以及生理參數(shù)測(cè)量，允許對(duì)不同功能性狀包括Ɵcrit進(jìn)行比較。該方法為用戶提供了選擇性能佳的根系的能力，特別是干旱條件下，按照生理性狀進(jìn)行比較。 

3、植物根系計(jì)算機(jī)CT斷層掃描系統(tǒng)
基于X光的計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CT）廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究各個(gè)領(lǐng)域，如制藥、納米科學(xué)、材料科學(xué)以及植物科學(xué)等領(lǐng)域。得益于X光CT技術(shù)，在農(nóng)業(yè)以及植物科研進(jìn)展也十分迅速。X光CT成像方法使得高通量、無(wú)損、無(wú)干擾測(cè)量植物根系統(tǒng)成為可能，也使得植物生長(zhǎng)期間對(duì)下游復(fù)雜機(jī)制的研究成為可能。到目前為止，已經(jīng)采集到大量植物CT掃描數(shù)據(jù)，但如何有效、有效對(duì)其進(jìn)行分析，還面臨著挑戰(zhàn)�？蒲腥藛T經(jīng)過(guò)對(duì)植物根系3D CT斷層掃描的有效的統(tǒng)計(jì)以及計(jì)算方法進(jìn)行了回顧�；�于圖像的植物根系分析方法劃分如下 (1) 根分區(qū)切割，例如，（1）將根系與非根背景區(qū)分；(2)根系統(tǒng)重建；(3) 提取高層級(jí)表型性狀。

 

 

在設(shè)備開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，德國(guó)Frauhofer研究院專門(mén)成立的植物表型研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了系列適用植物科學(xué)研究的計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)，如便攜式計(jì)算機(jī)掃描系統(tǒng)，臺(tái)式高精度計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)以及落地式大成像面積計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)以及高通量根系表型斷層掃描系統(tǒng)，F(xiàn)rauhofer研究院是世界知名的應(yīng)用技術(shù)研究院，很多工業(yè)技術(shù)都源自于該研究所。Frauhofer專門(mén)成立的植物表型CT研究組致力于CT技術(shù)應(yīng)用在植物的表型研究上。與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)CT不同，植物CT研究需要獨(dú)特算法和軟件等。Frauhofer研究院在該研究領(lǐng)域位于世界前沿。

Frauhofer植物計(jì)算機(jī)斷層掃描表型成像系統(tǒng)采用微焦點(diǎn)X射線成像原理進(jìn)行分辨率三維成像，可以在不破壞樣品（無(wú)需染色、無(wú)需切片）的情況下，獲得高精度三維圖像，顯示樣品內(nèi)部詳盡的三維信息，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)、密度的定量分析，適用于觀察植物化石樣品結(jié)構(gòu)和植物活體組織的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)學(xué)、組織學(xué)、生物學(xué)特別是古生物學(xué)等研究領(lǐng)域，例如花、果實(shí)、種子、根系等研究。

 

氣候變化的后果極其復(fù)雜，對(duì)發(fā)展中國(guó)家影響更大。例如，氣溫上升可使一些區(qū)域不適合居住，切斷了當(dāng)?shù)鼐用瘾@得水源的主要通道。即便發(fā)達(dá)國(guó)家也難以逃脫氣候變化影響，被迫改變思維方式-特別是農(nóng)業(yè)的思維方式迫在眉睫。現(xiàn)代植物栽培種不能快速適應(yīng)氣候變化影響，農(nóng)民需要栽種能調(diào)整適應(yīng)了當(dāng)?shù)刂饕獥l件的植物品種。這是為何研究者X光研發(fā)技術(shù)中心EZRT專注于無(wú)損監(jiān)測(cè)以及植物分析。

許多植物品系（如土豆、小麥、水稻和木薯）都在努力適應(yīng)世界氣候條件變化條件。要尋找到適當(dāng)應(yīng)對(duì)應(yīng)用環(huán)境條件改變的方式，F(xiàn)rauhofer研究人員分析了不同植物品系如何應(yīng)對(duì)環(huán)境沖擊。表型是一種鑒別植物的方式，例如，鑒別在高溫條件下仍能有足夠產(chǎn)量的植物。

實(shí)際環(huán)境下植物分析
理論上，人們可在田間通過(guò)人工視覺(jué)簡(jiǎn)單觀測(cè)植物。但該方法為主觀方法，并不精確。如果一個(gè)人連續(xù)觀測(cè)數(shù)百個(gè)植株，很容易看出趨勢(shì)，但結(jié)果總是不同。因此，研究人員選擇使用非破壞性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，Oliver Scholz教授，X光技術(shù)研發(fā)中心的系統(tǒng)研究組負(fù)責(zé)人表示。要生成有意義數(shù)據(jù)，研究人員需要分析多個(gè)品系的各數(shù)十株植物。該研究所位于Fürth的基地針對(duì)此研究配備了一個(gè)專門(mén)溫室以及數(shù)個(gè)環(huán)境箱，用以模擬限定氣候條件。研究者直接讀取并精確分析葉片尺寸、葉面積、傾斜以及曲率等。

鑒別高產(chǎn)品種
植物由地上和地下器官組成。植物健康和生殖等重要指示因子位于地上。人們可從葉片（植物太陽(yáng)能電池板）收集有價(jià)值信息。光學(xué)監(jiān)控技術(shù)，例如3D激光技術(shù)，非常適合觀測(cè)葉片以及其環(huán)境。利用3D植物掃描儀獲取植物3維圖像。激光可向葉片表面投射窄線。因該線沿葉片走向，相機(jī)可記錄該線的位置。幾秒鐘，即可生成數(shù)以百萬(wàn)的3D坐標(biāo)，用以描述葉片表面（says Scholz）。

因該所的工作涉及到長(zhǎng)期觀測(cè)和檢測(cè)的多個(gè)系列植物，該方法生成了大量3D數(shù)據(jù)。要對(duì)來(lái)自植物的單個(gè)葉片實(shí)現(xiàn)對(duì)比，研究所開(kāi)發(fā)了特殊的軟件程序，使用復(fù)雜過(guò)程來(lái)計(jì)算葉片主要參數(shù)，之后以更小軟件包的形式提供這些參數(shù)。研究人員從而可直接讀取并精確分析葉片尺寸、表面積、傾斜和曲率。生物學(xué)家獲取此類表型數(shù)據(jù)并將其與微生物學(xué)知識(shí)相關(guān)聯(lián)，從而鑒別生物機(jī)制，允許特定植物品系快速生長(zhǎng)，即便在極端條件下也有足夠產(chǎn)量。

地下X光成像：數(shù)分鐘構(gòu)建3D CT
植物地下部分，例如其根部結(jié)構(gòu)和果序也可提供關(guān)于植物生物量的重要信息。光學(xué)監(jiān)控技術(shù)于此已經(jīng)達(dá)到，這是為何研究人員在此處選擇了X射線。X射線成像和顯微法近幾十年來(lái)取得了巨大進(jìn)展。此技術(shù)可輕松用于檢測(cè)鋼制或其它合金材質(zhì)大樣品。在現(xiàn)今系統(tǒng)上可以清楚顯示小材料缺陷，輪胎鋁輪轂或缸頭殼體，易于鑒別。但表型領(lǐng)域研究者面對(duì)不同的挑戰(zhàn)。與工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室多處應(yīng)用不同，表型不僅僅關(guān)注圖像品質(zhì)，成像的限制因素是成像時(shí)間，Stefan Gerth博士-革新系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人表示，該所研究者開(kāi)發(fā)了自己的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，目標(biāo)是在有效圖像品質(zhì)和更短測(cè)量時(shí)間間取得平衡。

 

 

測(cè)量時(shí)間影響非常大，原因是研究者通常會(huì)測(cè)量一系列產(chǎn)品。長(zhǎng)時(shí)測(cè)量在時(shí)間上并不經(jīng)濟(jì)，將植物長(zhǎng)時(shí)間放在X光機(jī)內(nèi)相當(dāng)于將植物從其熟悉環(huán)境中“隔離”出來(lái)，嚴(yán)重影響效果的有效性。Frauhofer研究所X光技術(shù)研發(fā)中心不斷投入到優(yōu)化X光系統(tǒng)的研究中，從而可約在5-7分鐘完成植物掃描。另外除了特別適應(yīng)的硬件，研究所用的軟件作用也至關(guān)重要。因成像時(shí)間短，源數(shù)據(jù)包含很多噪音，難于處理。智能算法很大程度上對(duì)此進(jìn)行了補(bǔ)償，可全自動(dòng)將植物器官與周?chē)�環(huán)境分離出來(lái)。

 

 

下一步，軟件自動(dòng)鑒別果實(shí)和根部結(jié)構(gòu)的縱橫比以及植物器官的重量。要確保聲明可靠性，研究者對(duì)試驗(yàn)系列進(jìn)行數(shù)周、數(shù)月的觀測(cè)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，利用一段時(shí)間的柱狀圖，研究者可以弄清楚植物如何進(jìn)行地下生長(zhǎng)發(fā)育。Joelle Claussen解釋道，他已經(jīng)在X光技術(shù)研發(fā)中心測(cè)量了數(shù)以千計(jì)的植物。盡管該所就檢測(cè)系列取得較高成功率，也無(wú)法完全模擬溫室環(huán)境中真實(shí)的環(huán)境影響。這就是為何生物學(xué)家要在真實(shí)環(huán)境條件下對(duì)齊進(jìn)行驗(yàn)證的原因，Claussen表示。

 

 

在國(guó)內(nèi)和國(guó)外研究伙伴的支持下，F(xiàn)rauhofer研究院非常確信研究者的無(wú)損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可在氣候變化情況下，提供適當(dāng)應(yīng)對(duì)措施。 

參考文獻(xiàn)
1、X-Ray CT Phenotyping Reveals Bi-Phasic Growth Phases of Potato Tubers Exposed to Combined Abiotic Stress
2、Semiautomated 3D Root Segmentation and Evaluation Based on X-Ray CT Imagery
3、Quantification of seed performance: non-invasive determination of internal traits using computed tomography
4、Direct comparison of MRI and X-ray CT technologies for 3D imaging of root systems in soil: Potential and challenges for root trait quantification

北京博普特科技有限公司擁有系列植物根系研究設(shè)備和系統(tǒng)，將致力促進(jìn)其在植物根系表型組學(xué)以及生理生態(tài)領(lǐng)域的應(yīng)用。