1背景
 

　　根系對植物起著支撐作用，是植物的吸水器官，吸鹽器官，在生態系統的生物地球化學循環中扮演著重要角色。但是，由于根系是大多數陸地生態系統“隱藏的一半”，對它進行準確取樣、測定、觀察存在一定困難。長期以來，對根系的研究主要還是采用挖掘法、土鉆法、土柱法、容器法、剖面法等傳統方法，采樣破壞性大、工作量大，嚴重阻礙了根系研究的深入開展?！犊茖W》雜志于2004年6月出版了一本專輯認為“人類對自己腳下土壤的了解遠遠不及對宇宙的了解”，更是佐證了地下生態學的研究難度之大。所以，根系研究方法的選擇，相對于對地上部分而言對研究結果具有更大的影響。
 

　　為了協助科研人員更好的進行根系研究，更深入的了解地下“隱藏的一半”，澤泉生態開放實驗室(ZealquestLaboratoryforEcologicalResearch)推出一套根系研究的系統解決方案，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)長期監測植物根系的生長動態
 

　　4)大容量、高效率、高精度的獲取根系信息
 

　　5)植物根系生長監測系統利用盆栽植物進行大批量快速篩選，獲得合適的突變株后直接移植到室外土壤中，繼續進行長期監測，進行長期的系統性實驗
 

　　2.2所需設備及用途
 

　　1)植物根系X-光掃描成像分析系統RootVizFS(室內)
 

　　*對盆栽植物的根系進行原位成像分析，可以拍攝根系的X-光立體照片
 

　　**分析植物根系所有部分
 

　　*在植物生長的不同階段對根系的生長進行長期動態監測
 

　　*大批量篩選根系突變株
 

　　**可控條件下進行根系的生理、病理研究
 

　　2)植物根系生長監測監測系統CI-600(室外)
 

　　*非破壞性的原位360度多層次旋轉式掃描成像系統
 

　　*可定點、連續觀測根系在整個生長季的動態變化
 

　　*大批量埋設根管，大量樣點的長期監測
 

　　3)植物根系分析軟件WinRHIZOTronMF
 

　　*對RootVizFS和CI-600的測量結果進行分析
 

　　*可以分別對總根、活動根、活動根段的測量數據進行全面分析
 

　　*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、不同時間獲得的圖像，進行時空動力學變化分析
 

　　3植物根系X-光掃描成像系統RootVizFS
 

　　為植物根系拍攝X-光照片的系統，獲得2007年美國R&D100大獎(“發明界的奧斯卡獎”)的產品。RootVizFS可以高效、高精度、非破壞性的對盆栽植物的根系進行原位成像分析，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的不同階段對根系進行長期動態監測。
 

　　3.1對植物根系進行X-光掃描成像的原理
 

　　植物根系生長在特制的X-光可穿透的培養容器和培養介質中，一側用低能數字X-光發射器發出X-射線，穿過培養容器和介質后在另一側通過閃爍發光體將X-射線轉換成可見光，然后利用數碼相機進行檢測。由于培養容器和介質可被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被穿透，這樣就可以獲得全面的根系信息。X-光發射器前帶有可開關的防護門，當門關閉后，所有X-射線被屏蔽掉。儀器外殼帶有內鎖，不會發生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
 

　　*進行長期動態監測
 

　　*獲得原位根系角度信息
 

　　**可控條件下的生理、病理實驗
 

　　*大規?？焖俸Y選根系突變株
 

　　3.3根系X-光掃描成像系統的主要技術參數
 

　　*X-射線發生器:20KeV@800mA；35uspotsize
 

　　*X-射線數碼相機:1024x1024CMOS；GdOsScintillator
 

　　*精確的三維調節工作臺:精度達25mm
 

　　*速度：平面圖25株/h；立體圖15株/h
 

　　*范圍：zui大根長0.6m；zui大高度2.1m
 

　　*分辨率：2000×2048像素
 

　　3.4根系X-光掃描成像系統的應用實例
 

　　應用實例一：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/藍立體眼鏡可以觀看立體效果)(為了排版方便，將實際圖片旋轉了90度)
 

　　應用實例二：根系生長發育的長期動態監測
 

　　玉米出苗后40天的根系動態生長監測
 

　　(利用紅/藍立體眼鏡可以觀看立體效果)
 

　　應用實例三：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可以容易的進行分析，而傳統的洗根后掃描的方法會將根系間的角度差別忽略掉
 

　　(利用紅/藍立體眼鏡可以觀看立體效果)
 

　　應用實例四：根系系統分類
 

　　利用肉眼很難區分不同變種的大豆根根系，而根據植物根系X-光掃描成像分析系統的結果，以側根密度和主根長度為坐標軸得出的散點圖，可以對大豆變種的根系進行分類。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。
 

　　應用實例五：根系病理學研究
 

　　感染病蟲的玉米根系
 

　　灰點為蟲卵未感染的玉米根系
 

　　4植物根系生長監測監測系統CI-600
 

　　4.1CI-600的原理
 

　　CI-600是*套“土壤原位360度多層次旋轉式掃描”獲取根系剖面圖像的方法。將透明根管埋設在需要研究的根系周圍后，定期使用旋轉式CCD線性掃描頭對根系360度多層次掃描，然后借助專業根系分析軟件系統對混合圖像進行分析，從而跟蹤了解根系的長期生長動態。
 

　　4.2CI-600的特性
 

　　*非破壞性的原位測量
 

　　*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21.56x19.56cm的高分辨率圖像
 

　　*極便攜、易操作、測量快
 

　　*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、連續觀測根系在整個生長季的動態變化
 

　　*USB數據傳輸，測量、存儲方便
 

　　*配合根系動態分析軟件，后續分析功能強大
 

　　4.3CI-600的主要技術參數
 

　　*掃描頭分辨率：zui大1200dpi或188兆像素
 

　　*單圖尺寸：21.56x19.56cm
 

　　*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34.3cm
 

　　*透明根管尺寸：內徑6.4cm，長182.9cm(長度可以定制)
 

　　*重量：約1Kg
 

　　4.4CI-600的應用實例
 

　　右圖為NorthernArizonaUniversity的DylanFischer博士的實驗結果，從上到下為連續掃描的6張360度圖片拼接在一起，每張圖片的原始尺寸為21.59x19.56cm。
 

　　(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WinRHIZOTronMF
 

　　根系分析軟件WinRHIZOTronMF是一款功能非常強大的專業根系分析軟件，可以對RootVizFS和CI-600的測量結果進行分析，其主要特性如下：
 

　　◆總根測量(根長、表面積、投影面積、體積、平均直徑和數目的提示)
 

　　◆活動根的名稱和它的測量數據(長度，表面積...)
 

　　◆活動根段的編號和其測量數據(長度，比表面積...)
 

　　◆可以移動分析區域里單個根或所有根系
 

　　◆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間的掃描圖像連接起來進行整體分析
 

　　◆文件以ASCII文本格式保存，兼容多數表格程序(如Excel)
 

　　時空變化分析(橫軸為時間，不同季節；縱軸為空間，不同深度)
 

　　6根系研究系統解決方案的應用
 

　　這套根系研究的系統解決方案綜合了植物根系X-光掃描成像分析系統RootVizFS和植物根系生長監測系統CI-600的強大、革命性的測量功能，以及根系分析軟件WinRHIZOTronMF的強大分析功能。三者有機結合，融會貫通，可以廣泛的應用于根系研究領域：
 

　　◆根系的發育周期和再生周期
 

　　◆根際形態學和分類學的研究
 

　　◆根際生態過程與調控
 

　　◆推進和開發功能基因組學的研究
 

　　◆突變體及作物育種的鑒定和篩選
 

　　◆植物生態學研究
 

　　◆環境保護和修復
 

　　◆能源苗木的培養及果樹育苗與引種
 

　　◆森林培育和林學
 

　　◆花卉栽培和保護
 

　　◆細根生理和功能異質
 

　　◆根系周轉和生態驅動
 

　　◆農業生態系統中作物生長及節水灌溉
 

　　◆防風固沙與水土保持
 

　　◆根系對鹽、干旱、重金屬等逆境脅迫的生理生態響應
 

　　◆植物病理學的研究
 

　　利用這套系統，可以對盆栽植物進行大批量快速篩選，獲得合適的突變株后直接移植到室外土壤中，繼續進行長期監測，進行長期的系統性實驗
 

　　7展望
 

　　這套根系研究的系統解決方案用于原位、非破壞性地研究根系，可以長期監測根系的生長動態，*打破了長期以來根系研究的瓶頸。植物根系X-光掃描成像分析系統RootVizFS側重于室內研究，是目前世界上的根系研究系統，幾乎可以應用于所有和根系有關的研究中。美國能源部利用其開展對美國白楊生物能源開發利用，杜克大學的BenefyLab利用其進行功能基因組學研究，探討植物抗逆機制。植物根系生長監測監測系統CI-600側重于室外研究，是微根窗(minirhizotron)技術應用的產品，在國外已廣泛地應用于森林、草地、沙漠、果園及農業生態系統等植物根系研究中。這兩種技術在根系研究進程中都被認為是重要的里程碑，必將改變根系研究遠遠落后于地上部分研究的現狀，為根系研究的跨越式發展起到巨大的推動作用。