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运用VideometerMR多光谱微根管技术研究草地植物细根

微根管(minirhizotron,MR)技术自出现以来,因其方便、简洁、省时省力和能够原位观察的特点而在植物细根(直径<2mm)研究中发挥重要作用。草地植物细根在土壤养分循环和草地可持续发展中起到关键作用。最近,丹麦歌本哈根大学学者利用多光谱微根管技术研究草地植物(深根大麦(细根的进取得突破性进展,该方法同样适用于集中在草地植物根系产量、寿命及周转速率对气候变化、草地管理与利用以及土壤生物的响应等方面。多数研究认为CO2浓度升高和气候变暖会增加植物细根根长、根数量或生物量,降低根系寿命;春季发生的细根寿命相对秋季发生的细根较短。刈割和人工施加氮肥对天然草地植物根系没有显著影响,但会成倍增加草地地上生物量,减少物种丰富度。植物细根寿命与直径呈正相关关系,周转速率与直径呈负相关关系。多光谱微根管技术在今后研究的重点可围绕4个方面:1)放牧、草地利用与管理以及土壤生物与草地植物细根的相互关系;2)根系寿命或周转速率对土壤碳库或养分库的影响;3)气候变化或人类活动引起草地植物根系发生变化的机制。多光谱微根管技术作为一项突破性的根系研究技术,将更好服务于草地根系表型与生态研究,促进草地农业生态系统根系研究的发展。

Videometer系列多光谱成像系统还广泛应用于:植物/作物表型组学研究分析;根系表型分析;作物育种与种子品质检测;植物/作物胁迫生理响应;作物病理学分析与病原检测;食品检测;中药成分分析与品质检测。来自哥本哈根大学、丹麦理工大学以及丹麦Videometer公司的专家在刚刚利用该设备在Plant and Soil上发表了题为A multispectral camera system for automated minirhizotron image analysis的文章,早些利用该设备进行研究的文章题为Frontiers in Plant Sciences,Screening of Barley Resistance Against Powdery Mildew  by Simultaneous High-Throughput Enzyme Activity Signature Profiling and Multispectral Imaging。该系列文章的发表时植物根系表型成像领域的突破性进展,具有划时代的意义。

丹麦Videometer公司开发的根系原位多光谱表型成像系统,是做根系研究的革新性专业装备,无论对于浅根系蔬菜还是浅根系乔木,都具有现实性研究意义。目前在根系研究尤其是表型研究领域中,对于玉米根系和小麦根系所作的研究比较多,但大多还采用传统不可重复的挖掘方法。植物根系多光谱表型原位成像出现,改变了这种情况,使得植物研究人员在对根系进行研究的过程中,可以使用原位的方式,无损伤的进行监测。

丹麦Videometer公司开发的根系原位多光谱表型成像系统,是做根系研究的革新性专业装备,无论对于浅根系蔬菜还是浅根系乔木,都具有现实性研究意义。目前在根系研究尤其是表型研究领域中,对于玉米根系和小麦根系所作的研究比较多,但大多还采用传统不可重复的挖掘方法。植物根系多光谱表型原位成像出现,改变了这种情况,使得植物研究人员在对根系进行研究的过程中,可以使用原位的方式,无损伤的进行监测。

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根系是植物主要吸水、营养物等器官,通过对根系监测和研究,能优化水肥方案,促进农作物、林业等产业增产增效,有利于土地荒漠化治理、土壤修复等。但长期以来,对根系研究主要是采用挖掘法、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》杂志曾出版专辑认为,“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研究难度之大。因此,对根系研究方法的选择和改进,对科研结果影响巨大。

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丹麦根本哈根大学科学家等利用多光谱成像系统对植物植株、根系进行成像研究,取得了前瞻性的成果。该研究以深根系大麦为研究对象,将大麦下方埋了有3m长的微根管,使用Videometer公司的Videometer MR多光谱成像系统,定期通过根窗透明面对根系成像分析。原始光谱图像经过Videometer自带软件一系列算法处理后得到目标根系图像,随后进行阈值分割、模糊聚类等模型分析,得到根系的形态学数据。

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传统的RGB可见光成像技术是利用颜色识别根系,前提是根系和土壤之间要有比较明显的色差,但实际根系生长在土壤中,颜色差异并不明显,这样根系识别可能会造成比较大的误差,RGB可见光成像技术使用就会受限。歌本哈根将多光谱成像技术和传统的RGB成像技术进行了对比,显示多光谱成像技术基于光谱特征在根系识别上的明显优势,并且对多光谱成像另一项无可比拟的功能进行了初步探讨——即光谱特征对于根系生化特性的识别(例如细根发生、成熟、衰老、死亡的周转过程;例如根际分泌物成分的变化等),显示了多光谱成像技术在根系研究领域的巨大潜力。

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

前言:Videometer公司是世界上最顶级的多光谱成像系统生产商,开发了系列多光谱成像设备如VideometerLab 4多光谱成像系统、VideometrMR根系多光谱成像系统、VideometerLiq固、液两用多光谱成像系统并与丹麦歌本哈根大学联合开发了Radimax深根研究用多光谱成像系统,目前利用Videometer系统发表的文章已经超过了250篇,是当前表型研究领域发表文章最多、应用最广泛的多光谱成像系统。

摘要

背景:根是植物的关键器官,要实现产量稳定,有效利用来自土壤资源至关重要。但作物基因型之间的根性状表型变异多数还未知,田间根系发育筛查昂贵且耗力。因此,函待开发在田间进行全生长植物根系性状、特别是位于土壤深层的根系研究的新方法。

结果:研究人员开发了一种新型表型设施(RadiMax)用于在半田间条件下研究根系生长以及土壤资源获取。设施包括4个单元,每个单元面积为400m2,分别安装有150根微根管,允许对0.4 m–1.8 m或 0.7 m–2.8 m土壤深度间隔的根进行观察。根系观测通过多光谱微根光成像系统实现。植物生长行与水分梯度垂直,设施安装有多深度亚灌溉系统以及移动雨棚。水梯度可实现将根观测与冠层胁迫反应进展相关联。 

结论:要验证以上技术概念,选择了栽培种春大麦 (Hordeum vulgare L.) ,种植在该系统中进行为期两季的研究。利用该系统可观测到不同深根生长基因型差异,在水梯度下,可观测到地上部的生理反应。尽管进一步技术开发和技术验证还在进行中,半田间设施不失为一种在土壤深层鉴别土壤资源有效利用的根基因差异的新方法。

关键词:干旱,微根管,氮元素,表型,根,半田间土壤,水,多光谱成像

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北京博普特科技有限公司是丹麦Videometer公司中国区独家总代理,全面负责其系列多光谱成像产品在中国市场的推广、销售和售后服务,目前为止,利用Videometer进行研究的文章已经多达250多篇,在近视距多光谱表型成像研究领域,Videometer无疑代表了业界最高水准。


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