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博普特根系表型成像系統(tǒng)

更新時間:2024-04-17 點擊量:1185

根系表型成像系統(tǒng)介紹

根系是植物主要吸水、營養(yǎng)物并支撐植物地上部分的重要器官,是植物研究的熱點之一,也近年來植物表型學和作物表型組學研究熱點。通過對根系監(jiān)測和研究,能優(yōu)化水肥方案,促進農作物、林業(yè)等產業(yè)增產增效,加速植物、作物育種,有利于土地荒漠化治理、土壤修復等。但長期以來,由于植物根系生長環(huán)境的復雜性和不透明性,導致植物根系研究發(fā)展相對緩慢,對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)可見光相機成像法等傳統(tǒng)方法,采樣破壞性大、工作量大、區(qū)分效果不佳,嚴重阻礙了根系研究的深入開展。《科學》雜志曾出版專輯認為,“人類對自己腳下土壤的了解遠遠不及對宇宙的了解",更是佐證了地下根系研究、生態(tài)學研究難度之大。因此,對根系研究方法的選擇和改進,對科研結果影響巨大。

根系成像技術的出現(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、X射線掃描技術、核磁共振成像技術、探地雷達、熒光成像技術、激光共聚焦成像技術、多光譜成像技術、高光譜成像技術和計算機斷層掃描成像技術等,非成像方法包括根系功能生理表型測量技術等,根據植物的生長特性以及生長環(huán)境狀況,利用多種成像模塊監(jiān)測根系發(fā)育且不破壞其生長。

Videometer原位根系表型成像系統(tǒng):

丹麥Videometer公司開發(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)設備,無論對于淺根系園藝蔬菜、作物種質資源、草種質資源還是深根系林木種質資源,都具有現(xiàn)實性研究意義。目前在根系研究尤其是表型研究領域中,對于草類、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根系進行研究的過程中,可以使用原位的方式、高分辨率、無損傷的進行監(jiān)測,多光譜成像技術,因具有圖譜合一的特點,今年成為植物科學研究的熱點。

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,后者主要用于設施規(guī)劃中的高通量根系成像研究。


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單通道原位根系多光譜表型成像系統(tǒng):

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多通道原位根系多光譜表型成像系統(tǒng):

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5個波段下多光譜成像(405、450、590、660、940):

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5波段多光譜假彩RGB成像圖:

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四通道多光譜根系成像系統(tǒng)(圖片來自歌本哈根大學、禁止盜圖、侵權必究):

丹麥根本哈根大學科學家等利用多光譜成像系統(tǒng)對植物植株、根系進行成像研究,取得了前瞻性的成果。該研究以深根系大麥為研究對象,將大麥下方埋了有3m長的微根管,使用Videometer公司的Videometer MR多光譜成像系統(tǒng),定期通過根窗透明面對根系成像分析。原始光譜圖像經過Videometer自帶軟件一系列算法處理后得到目標根系圖像,隨后進行閾值分割、模糊聚類等模型分析,得到根系的形態(tài)學數據。

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Plantarray根系功能生理表型測量系統(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量,由以色列希伯來大學開發(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以及植物逆境生物學研究通用平臺,也可用于根系生理表型測量。該系統(tǒng)可持續(xù)、實時測量位于不同環(huán)境條件下、陣列中每個植株的土壤-植物-空氣(SPAC)中的即時水流動。直接測量根系和莖葉系統(tǒng)水平衡和生物量增加,計算植物生理參數以及植物對動態(tài)環(huán)境的反饋。系統(tǒng)以有效、易用、無損的方式針對植物對不同處理的反應、預測植物生長和生產力進行定量比較,廣泛應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、植物健康等領域的研究。

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Frauhofer植物根系計算機CT斷層掃描系統(tǒng):

基于X光的計算機斷層掃描技術(CT)廣泛應用于科學研究各個領域,如制藥、納米科學、材料科學以及植物科學等領域。得益于X光CT技術,在農業(yè)以及植物科研進展也十分迅速。X光CT成像方法使得高通量、無損、無干擾測量植物根系統(tǒng)成為可能,也使得植物生長期間對下游復雜機制的研究成為可能??蒲腥藛T經過對植物根系3D CT斷層掃描的有效的統(tǒng)計以及計算方法進行了回顧?;趫D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)提取高層級表型性狀。

在設備開發(fā)領域,德國Frauhofer研究院專門成立的植物表型研究團隊開發(fā)了系列適用植物科學研究的計算機斷層掃描系統(tǒng),如便攜式計算機掃描系統(tǒng),臺式高精度計算機斷層掃描系統(tǒng)以及落地式大成像面積計算機斷層掃描系統(tǒng)以及高通量根系表型斷層掃描系統(tǒng),F(xiàn)rauhofer專門成立的植物表型CT研究組致力于CT技術應用在植物的表型研究上。與傳統(tǒng)醫(yī)學CT不同,植物CT研究需要*算法和軟件等。

Frauhofer植物計算機斷層掃描表型成像系統(tǒng)采用微焦點X射線成像原理進行分辨率三維成像,可以在不破壞樣品(無需染色、無需切片)的情況下,獲得高精度三維圖像,顯示樣品內部詳盡的三維信息,并進行結構、密度的定量分析,適用于觀察植物化石樣品結構和植物活體組織的細胞結構,近年來被廣泛應用于結構學、組織學、生物學特別是古生物學等研究領域,例如花、果實、種子、根系等研究。

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X光可幫助研究者看到地下情形。上圖是在不同發(fā)育階段的土豆

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北京博普特科技有限公司擁有系列根系表型成像分析研究平臺,將致力促進其在植物根系表型組學以及生理生態(tài)領域的應用。

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