高光(guang)譜(pu)成像技(ji)術(shu)在根系(xi)表型(xing)分析(xi)中的(de)應(ying)用(yong)

    根系(xi)是植物的重(zhong)要(yao)組成部(bu)分，植(zhi)物吸收土壤中的(de)水(shui)分(fen)與(yu)養(yang)分(fen)全依賴(lai)根系(xi)，所(suo)以(yi)根系(xi)的研究(jiu)對於(yu)植物各學科(ke)來(lai)說(shuo)都至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)，但(dan)是根系(xi)分布在地(di)面以(yi)下，而且(qie)是動態生長(chang)的(de)，這就給(gei)根系(xi)的監(jian)測帶(dai)來(lai)了(le)很(hen)多(duo)困(kun)難(nan)。《Nature》雜誌於(yu)2004年(nian)6月(yue)出(chu)版了(le)壹本(ben)專(zhuan)輯認(ren)為(wei)“人(ren)類(lei)對自己(ji)腳下土壤的了(le)解(jie)遠遠不(bu)及(ji)對(dui)宇宙(zhou)的(de)了(le)解(jie)”，更是佐證(zheng)了(le)地(di)下生態學的(de)研究(jiu)難(nan)度(du)之(zhi)大(da)。所(suo)以(yi)，根系(xi)研究(jiu)方(fang)法的(de)選擇(ze)，相對於對地(di)上部(bu)分而言(yan)對研究(jiu)結果(guo)具有更大的影(ying)響。

    傳統(tong)的根窗或微(wei)根窗彩色(se)成像技(ji)術(shu)是利(li)用(yong)顏(yan)色(se)識別(bie)根系(xi)，前提(ti)是根系(xi)和土壤之(zhi)間要(yao)有比較(jiao)明顯的反(fan)差，但(dan)實際(ji)根系(xi)生長(chang)在土壤中，顏(yan)色(se)差異並(bing)不(bu)明(ming)顯，這樣根系(xi)識別(bie)可(ke)能會造(zao)成比(bi)較(jiao)大的(de)誤差，RGB成像技(ji)術(shu)使(shi)用(yong)就會受(shou)限(xian)。高(gao)光譜(pu)成像技(ji)術(shu)基(ji)於(yu)光譜(pu)特征在根系(xi)識別(bie)上具備明顯優勢(shi)，並(bing)且(qie)光(guang)譜(pu)特征對於(yu)根系(xi)生化(hua)特性(xing)的識別(bie)例(li)如細根發生(sheng)、成熟(shu)、衰(shuai)老、死(si)亡(wang)的(de)周轉(zhuan)過程(cheng)，根際分(fen)泌(mi)物成分(fen)的(de)變(bian)化(hua)等(deng)，都顯示了(le)高(gao)光譜(pu)成像技(ji)術(shu)在根系(xi)研究(jiu)領域(yu)的巨(ju)大(da)潛(qian)力(li)。

    奧(ao)地(di)利(li)自然資(zi)源(yuan)與生命科(ke)學大(da)學（University of Natural Resources and Life Sciences）作(zuo)物科學系(xi)的Gernot Bodner等(deng)利(li)用(yong)Specim高光(guang)譜(pu)成像技(ji)術(shu)，以(yi)硬粒(li)小麥(mai)(Triticum durum)為(wei)研究(jiu)對象，以(yi)5nm的光譜(pu)分辨(bian)率（900nm-1700 nm之(zhi)間256個(ge)光譜(pu)帶(dai)），定(ding)期通(tong)過根窗進行(xing)高(gao)光譜(pu)成像分析(xi)，空間分辨(bian)率達(da)0.1 mm。原(yuan)始光(guang)譜(pu)圖像經過算法處(chu)理(li)後得到目標根系(xi)圖像，隨後(hou)進行(xing)閾(yu)值分(fen)割(ge)、模(mo)糊(hu)聚(ju)類等(deng)模型(xing)分析(xi)，得到根系(xi)的形態學數(shu)據(ju)、根系(xi)生長(chang)衰(shuai)老動態乃至(zhi)根系(xi)生化(hua)數(shu)據(ju)。

1649-1447 nm光(guang)譜(pu)反(fan)射率和根系(xi)衰變(bian)過程(cheng)的關(guan)系(xi)（右圖柱狀(zhuang)標尺(chi)顯示為(wei)天數(shu)）

北(bei)京易(yi)科(ke)泰(tai)生(sheng)態技(ji)術(shu)公(gong)司提(ti)供(gong)根系(xi)觀測(ce)研究(jiu)技(ji)術(shu)全(quan)面(mian)解決(jue)方(fang)案：

• MiniRhizotron微(wei)根窗技(ji)術(shu)根系(xi)觀測(ce)系(xi)統(tong)方(fang)案，包(bao)括根系(xi)與土壤水(shui)分(fen)同步(bu)監(jian)測技(ji)術(shu)方(fang)案
• Rhizotron根窗技(ji)術(shu)原(yuan)位（in-situ）根系(xi)表型(xing)成像分析(xi)技(ji)術(shu)方(fang)案，包(bao)括RGB掃(sao)描(miao)成像分析(xi)技(ji)術(shu)、Specim高(gao)光(guang)譜(pu)成像分析(xi)技(ji)術(shu)、根系(xi)生長(chang)環境(jing)監(jian)測技(ji)術(shu)（土壤水(shui)、溫(wen)度(du)、光源(yuan)、O2等(deng)環境(jing)因子監(jian)控）
• PlantScreen全自動(dong)高(gao)通(tong)量根系(xi)表型(xing)成像分析(xi)系(xi)統(tong)（RGB成像技(ji)術(shu)）
• Specim高光(guang)譜(pu)根系(xi)掃(sao)描(miao)成像分析(xi)系(xi)統(tong)（ex-situ技(ji)術(shu)，洗(xi)根後掃(sao)描(miao)成像分析(xi)）
• SisuCHEMA高(gao)光譜(pu)成像分析(xi)系(xi)統(tong)
• ScieTrace LIBS根系(xi)元素(su)分(fen)布分析(xi)系(xi)統(tong)

左(zuo)圖(tu)為(wei)不(bu)同直徑細根高光(guang)譜(pu)成像反(fan)射光(guang)譜(pu)；右圖為(wei)不(bu)同濃(nong)度(du)Cu²⁺溶(rong)液處(chu)理(li)蠶豆幼(you)苗根橫切面LIBS元(yuan)素(su)分(fen)布分析(xi)結果(guo)（a,b,c,d），e）為(wei)樣品(pin)區特征譜(pu)線，f）Cu²⁺濃(nong)度(du)降低(di)其(qi)對(dui)應(ying)譜(pu)線強度(du)也依(yi)次(ci)降(jiang)低(di)