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?！?strong>科學(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（Zealquest Laboratory for Ecological Research）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）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)RootViz FS（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WinRHIZO Tron MF
＊ 對(duì)RootViz FS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)RootViz FS
*款為植物根系拍攝X-光照片的系統(tǒng)，獲得2007年美國(guó)R&D 100大獎(jiǎng)（“發(fā)明界的奧斯卡獎(jiǎng)”）的產(chǎn)品。RootViz FS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)。

小型分析系統(tǒng)	大型分析系統(tǒng)	大型分析系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造

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，當(dāng)門關(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；35u spot size
＊ X-射線數(shù)碼相機(jī): 1024 x 1024 CMOS；GdOs Scintillator
＊ 精確的三維調(diào)節(jié)工作臺(tái): 精度達(dá)25 mm
＊ 速度：平面圖25株/h；立體圖15株/h
＊ 范圍：zui大根長(zhǎng)0.6 m；zui大高度2.1 m
＊ 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)

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

感染病蟲的玉米根系 圖中灰點(diǎn)為蟲卵 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
4.1 CI-600的原理
植物根系生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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)。

4.2 CI-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21.56 x 19.56cm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

4.3 CI-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：21.56 x 19.56 cm
＊ 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

４.4 CI-600的應(yīng)用實(shí)例
右圖為Northern Arizona University的Dylan Fischer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21.59 x 19.56 cm。
（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WinRHIZO Tron MF
根系分析軟件WinRHIZO Tron MF是一款功能非常強(qiáng)大的專業(yè)根系分析軟件，可以對(duì)RootViz FS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)RootViz FS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WinRHIZO Tron MF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)RootViz FS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Benefy Lab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。