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。《科學》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（Zealquest Laboratory for Ecological Research）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）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RootViz FS（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WinRHIZO Tron MF
＊ 對RootViz FS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RootViz FS
*款為植物根系拍攝X-光照片的系統，獲得2007年美國R&D 100大獎（“發明界的奧斯卡獎”）的產品。RootViz FS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。

小型分析系統	大型分析系統	大型分析系統的內部構造

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
＊ 大規模快速篩選根系突變株

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；35u spot size
＊ X-射線數碼相機: 1024 x 1024 CMOS；GdOs Scintillator
＊ 精確的三維調節工作臺: 精度達25 mm
＊ 速度：平面圖25株/h；立體圖15株/h
＊ 范圍：zui大根長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

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 圖中灰點為蟲卵 未感染的玉米根系

4 植物根系生長監測監測系統CI-600
4.1 CI-600的原理
植物根系生長監測系統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。

4.2 CI-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21.56 x 19.56cm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

4.3 CI-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：21.56 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

４.4 CI-600的應用實例
右圖為Northern Arizona University的Dylan Fischer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21.59 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是一款功能非常強大的專業根系分析軟件，可以對RootViz FS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RootViz FS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WinRHIZO Tron MF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RootViz FS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Benefy Lab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。