根系是植物的重要組成部分，植物吸收土壤中的水分與養分全依賴(lài)根系，所以根系的研究對于植物各學(xué)科來(lái)說(shuō)都至關(guān)重要，根系是陸地生態(tài)系統“隱藏的一半"，而且是動(dòng)態(tài)生長(cháng)的，對其進(jìn)行準確取樣、觀(guān)察和測定存在一定困難。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較大的影響。丹麥Videometer公司開(kāi)發(fā)的根系多光譜原位監測系統是一款*根系多光譜測量系統，整體性能指標處于*水準，已經(jīng)在丹麥歌本哈根大學(xué)使用并取得了成績(jì)。

廣大科研工作者為了研究根系，應用了很多方法，從傳統的挖掘法、根鉆法、玻璃壁法、容器法等等，到現代的根窗法、微根管法等等，取得了很多科研成果。隨著(zhù)科技的發(fā)展，越來(lái)越多的現代高精尖技術(shù)應用到根系研究中來(lái)，多光譜成像技術(shù)就是其中一種，它集光譜和圖像為一體，含有海量的光譜信息和空間信息，這些信息體現了植物各種器官、組織的諸多表型特性，該技術(shù)圖譜合一的特性使其在根系表型方面具有較大潛力。

丹麥Videometer公司開(kāi)發(fā)的根系多光譜原位監測系統，是做根系研究的革新性專(zhuān)業(yè)裝備，無(wú)論對于淺根系蔬菜還是淺根系喬木，都具有現實(shí)性研究意義。目前在根系研究領(lǐng)域中，對于玉米根系和小麥根系所作的研究比較多，但大多還采用傳統不可重復的挖掘方法。植物根系原位監測儀的出現，改變了這種情況，使得植物研究人員在對根系進(jìn)行研究的過(guò)程中，可以使用原位的方式，無(wú)損傷的進(jìn)行監測。

來(lái)自歌本哈根大學(xué)的科學(xué)家利用Videometer公司構建的Radimax發(fā)表了題為Semi-field root phenotyping: Root traits for deep nitrate uptake的文章，文章發(fā)表于Plant Cell Environ.2021 Nov 21.doi: 10.1111/pce.14227.這已經(jīng)是利用該設備發(fā)表的第五篇文章。該多光譜微根管成像系統專(zhuān)為設施農業(yè)設計，也可設計成便攜式，應用于常規根系原位表型和生理生態(tài)研究。

1、半田間根系表型：深層硝酸鹽吸收的根系特征

深根冬小麥基因型可以減少硝酸鹽淋失，增加氮素吸收。我們旨在研究哪些深根性狀與深氮吸收相關(guān)，并估計根系性狀和深根15N示蹤吸收的遺傳變異。兩年間，冬小麥基因型生長(cháng)在RadiMax（一個(gè)半田間根系篩選設施）中。在主要生長(cháng)季節進(jìn)行了三次微根管根成像。開(kāi)花時(shí)，在1.8m深度通過(guò)地下滴灌注入15N。對注射區域上方的成熟麥穗進(jìn)行15N含量分析。根據基于微根管圖像的根長(cháng)數據，構建了82個(gè)性狀，描述了根的深度、密度、分布和生長(cháng)情況。用LASSO回歸分析了它們預測15N吸收的能力。根系性狀預測了兩年內示蹤物吸收變化分別為24%和14%。根系性狀和基因型對示蹤劑吸收均有顯著(zhù)影響。2018年，基因型和三個(gè)LASSO選擇的根系性狀預測了示蹤劑吸收變化為41%，2019年，基因型和一個(gè)根系性狀預測的示蹤劑吸收變化48%。在這兩年中，一個(gè)根系性狀顯著(zhù)地介導了基因型對示蹤劑吸收的影響。來(lái)自微根管圖像的深根性狀可以預測深氮吸收，表明具有培育深氮吸收基因型的潛力。

2、地下收集的大數據有助于科學(xué)家開(kāi)發(fā)未來(lái)作物

面對氣候變化，未來(lái)的作物需要更具韌性，當歐洲氣候連續第六次面臨春季干旱時(shí)，研究人員和育種人員正在努力開(kāi)發(fā)具有更深層根源的品種，以應對未來(lái)此類(lèi)挑戰。

然而，測量根系生長(cháng)并非易事，在丹麥創(chuàng )新基金（Danish Innovation Fund）的投資下，歌本哈根大學(xué)的一個(gè)大型植物根系研究項目部署了RadiMax和大數據和定制軟件來(lái)分析地下?tīng)顟B(tài)下的根系，研究人員將使用根篩選平臺以及人工智能技術(shù)來(lái)加速開(kāi)發(fā)耐旱作物品系。該根篩選設施RadiMax，可以同時(shí)測試600個(gè)品種。通過(guò)有機玻璃管可以監測每條管線(xiàn)中深度達3米的根部。

進(jìn)一步需要在田間試驗中測試相同的品種，以便將其脅迫模式與根系特征相關(guān)聯(lián)。在這里，研究人員還將采用最新的無(wú)人機技術(shù)來(lái)測量脅迫水平。每個(gè)品種還將進(jìn)行基因組分析，以便未來(lái)的育種家能夠根據簡(jiǎn)單的DNA測試預測新育種材料的根系特性。

這項技術(shù)具有突破性，突破了傳統RGB成像的局限，反映了農學(xué)領(lǐng)域的新思維。

在丹麥塔斯特魯普的RadiMax根系研究設施，600根5米長(cháng)的透明管斜入地下。通過(guò)它們，多光譜相機捕捉到各種作物根系的圖像。

之后，哥本哈根大學(xué)根項目研究人員仔細研究地下圖像，以確定更強壯的具有更深根的作物品種-抵御干旱的作物品種。

根圖像過(guò)去是手動(dòng)分析的。為了克服如此大量圖像中的根檢測并提高精度，研究人員已經(jīng)開(kāi)始使用人工智能。目標是精確地描繪每個(gè)品種的根系形態(tài)，并選擇根系體積最深的品種。植物研究人員、計算機科學(xué)教授和工程師之間通過(guò)卓有成效的合作開(kāi)發(fā)了一種定制的軟件工具，可以對圖像進(jìn)行解碼，并將其轉換為單個(gè)圖像的系統根長(cháng)測量。該軟件的開(kāi)發(fā)節省了非常長(cháng)的工作時(shí)間，并使科研人員能夠通過(guò)手動(dòng)分析來(lái)進(jìn)行根分析，否則將非常耗時(shí)。"

雖然用于圖像分析的技術(shù)沒(méi)有什么革命性的變化，但多光譜成像技術(shù)的應用是根研究領(lǐng)域的一場(chǎng)革新，分析大數據的軟件工具具有創(chuàng )新性。"

軟件發(fā)現根之間的遺傳變異

根系研究設施建設的目的是在大麥、小麥、黑麥和黑麥草等作物中尋找根系發(fā)育植物品種。這些品種可以挖掘和利用土壤深層的營(yíng)養物質(zhì)和水，這是一個(gè)巨大的優(yōu)勢，特別是在現在這樣的干旱的年份。

通過(guò)過(guò)去四年的研究，科研人員已經(jīng)對現代作物的根系生長(cháng)了解了很多，例如，在禾本科植物中，不同物種和品種之間的根系生長(cháng)存在顯著(zhù)差異。當目標是利用遺傳學(xué)來(lái)提高未來(lái)耐旱品種時(shí)，這一信息至關(guān)重要。"

在這個(gè)項目中，研究人員計劃每年拍攝100多萬(wàn)張圖像。到目前為止，研究人員已經(jīng)成功地對5個(gè)數據集（每個(gè)數據集有30000張圖像）進(jìn)行了圖像分析。Videometer公司開(kāi)發(fā)的軟件可以區分不同波長(cháng)的像素反射差異。每個(gè)像素被分配一個(gè)概率，它是屬于活根，還是屬于土壤和死根。

在日復一日地手動(dòng)翻閱圖像后，人們可能會(huì )變得疲倦，改變他們對活根的看法。開(kāi)發(fā)的算法從不會(huì )感到厭倦或迷惑，它在整個(gè)過(guò)程中都是均勻解碼的。

農學(xué)和生物學(xué)的挑戰

科研人員認為，農學(xué)和生物學(xué)研究的數據分析通常是一個(gè)非常大的挑戰：獲取收集原始數據的技術(shù)不是問(wèn)題。問(wèn)題是，它通常會(huì )在服務(wù)器上終止，傳統方法在小型研究項目中通常已經(jīng)足夠，但RadiMax項目需要為外部合作伙伴（包括大公司）分析大量數據。這需要數據分析的系統化。

目前科學(xué)家已經(jīng)利用該系統選用多個(gè)品系抗旱草、作物，并發(fā)表了多篇多光譜根系研究的文章。該設施的介紹如下：

丹麥Videometer公司開(kāi)發(fā)的原位根系多光譜表型成像系統，是做根系研究的革新性專(zhuān)業(yè)設備，無(wú)論對于淺根系園藝蔬菜、作物種質(zhì)資源、草種質(zhì)資源還是深根系林木種質(zhì)資源，都具有現實(shí)性研究意義。目前在根系研究尤其是表型研究領(lǐng)域中，對于草類(lèi)、玉米根系和小麥根系所作的研究比較多，但大多還采用傳統不可重復的挖掘方法。植物根系原位多光譜表型成像系統出現，改變了這種情況，使得植物研究人員在對根系進(jìn)行研究的過(guò)程中，可以使用原位的方式、高分辨率、無(wú)損傷的進(jìn)行監測，多光譜成像技術(shù)，因具有圖譜合一的特點(diǎn)，今年成為植物科學(xué)研究的熱點(diǎn)。

原位根系多光譜微根管表型成像系統

該系統分為單通道原位根系多光譜微根管表型成像系統以及多通道原位根系多光譜微根管表型成像系統，前者可以便攜攜帶，是傳統RGB成像的跨越和升級，后者主要用于設施規劃中的高通量根系成像研究。

單通道原位根系多光譜表型成像系統

多通道原位根系多光譜表型成像系統

根系是植物主要吸水、營(yíng)養物等器官，通過(guò)對根系監測和研究，能優(yōu)化水肥方案，促進(jìn)農作物、林業(yè)等產(chǎn)業(yè)增產(chǎn)增效，有利于土地荒漠化治理、土壤修復等。但長(cháng)期以來(lái)，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、傳統可見(jiàn)光相機成像法等傳統方法，采樣破壞性大、工作量大、區分效果不佳，嚴重阻礙了根系研究的深入開(kāi)展?！犊茖W(xué)》雜志曾出版專(zhuān)輯認為，“人類(lèi)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(xué)研究難度之大。因此，對根系研究方法的選擇和改進(jìn)，對科研結果影響巨大。

5個(gè)波段下多光譜成像（405、450、590、660、940）

5波段多光譜假彩RGB成像圖

四通道5波段多光譜根系微根管成像系統（圖片來(lái)自歌本哈根大學(xué)）

丹麥根本哈根大學(xué)科學(xué)家等利用多光譜成像系統對植物植株、根系進(jìn)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(cháng)的微根管，使用Videometer公司的Videometer MR多光譜成像系統，定期通過(guò)根窗透明面對根系成像分析。原始光譜圖像經(jīng)過(guò)Videometer自帶軟件一系列算法處理后得到目標根系圖像，隨后進(jìn)行閾值分割、模糊聚類(lèi)等模型分析，得到根系的形態(tài)學(xué)數據。

傳統的RGB可見(jiàn)光成像技術(shù)目前是業(yè)界使用較多的技術(shù)，是利用顏色識別根系，前提是根系和土壤之間要有比較明顯的色差，但實(shí)際根系生長(cháng)在土壤中，顏色差異并不明顯，這樣根系識別可能會(huì )造成比較大的誤差，RGB可見(jiàn)光成像技術(shù)使用就會(huì )受限。歌本哈根將多光譜成像技術(shù)和傳統的RGB成像技術(shù)進(jìn)行了對比，顯示多光譜成像技術(shù)基于光譜特征在根系識別上的明顯優(yōu)勢，該系統可對顏色精確定量，符合國際通用的CIE色域空間顏色標準，可以區分異質(zhì)的物質(zhì)，如土壤和植物組織，可對土壤和根系分辨進(jìn)行圖像切割，專(zhuān)門(mén)對ROI感興趣區域進(jìn)行研究，也可區分新根和宿根以及正常根與發(fā)生病害的根系，系統分辨率高，可達30um/像素?？茖W(xué)家對多光譜成像的功能進(jìn)行了探討-即多光譜特征對于根系生化特性的識別（例如細根發(fā)生、成熟、衰老、死亡的周轉過(guò)程；例如根際分泌物成分的變化等），顯示了多光譜成像技術(shù)在根系研究領(lǐng)域的巨大潛力。