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博普特根系表型成像系統

更新時(shí)間:2024-04-17 點(diǎn)擊量:441

根系表型成像系統介紹

根系是植物主要吸水、營(yíng)養物并支撐植物地上部分的重要器官,是植物研究的熱點(diǎn)之一,也近年來(lái)植物表型學(xué)和作物表型組學(xué)研究熱點(diǎn)。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,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(cháng)期以來(lái),由于植物根系生長(cháng)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。

根系成像技術(shù)的出現和快速發(fā)展為植物根系的研究提供了更直觀(guān)、有效的研究方法,如中子成像技術(shù)、X射線(xiàn)掃描技術(shù)、核磁共振成像技術(shù)、探地雷達、熒光成像技術(shù)、激光共聚焦成像技術(shù)、多光譜成像技術(shù)、高光譜成像技術(shù)和計算機斷層掃描成像技術(shù)等,非成像方法包括根系功能生理表型測量技術(shù)等,根據植物的生長(cháng)特性以及生長(cháng)環(huán)境狀況,利用多種成像模塊監測根系發(fā)育且不破壞其生長(cháng)。

Videometer原位根系表型成像系統:

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)。

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。


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單通道原位根系多光譜表型成像系統:

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多通道原位根系多光譜表型成像系統:

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5個(gè)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(圖片來(lái)自歌本哈根大學(xué)、禁止盜圖、侵權必究):

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。

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Plantarray根系功能生理表型測量系統:

另一種根系研究的系統性方法是根系功能生理表型測量,由以色列希伯來(lái)大學(xué)開(kāi)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(chēng)重的高通量、多傳感器生理表型平臺以及植物逆境生物學(xué)研究通用平臺,也可用于根系生理表型測量。該系統可持續、實(shí)時(shí)測量位于不同環(huán)境條件下、陣列中每個(gè)植株的土壤-植物-空氣(SPAC)中的即時(shí)水流動(dòng)。直接測量根系和莖葉系統水平衡和生物量增加,計算植物生理參數以及植物對動(dòng)態(tài)環(huán)境的反饋。系統以有效、易用、無(wú)損的方式針對植物對不同處理的反應、預測植物生長(cháng)和生產(chǎn)力進(jìn)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/養分、CO2指示、植物健康等領(lǐng)域的研究。

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Frauhofer植物根系計算機CT斷層掃描系統:

基于X光的計算機斷層掃描技術(shù)(CT)廣泛應用于科學(xué)研究各個(gè)領(lǐng)域,如制藥、納米科學(xué)、材料科學(xué)以及植物科學(xué)等領(lǐng)域。得益于X光CT技術(shù),在農業(yè)以及植物科研進(jìn)展也十分迅速。X光CT成像方法使得高通量、無(wú)損、無(wú)干擾測量植物根系統成為可能,也使得植物生長(cháng)期間對下游復雜機制的研究成為可能??蒲腥藛T經(jīng)過(guò)對植物根系3D CT斷層掃描的有效的統計以及計算方法進(jìn)行了回顧?;趫D像的植物根系分析方法劃分如下(1) 根分區切割,例如,(1)將根系與非根背景區分;(2)根系統重建;(3)提取高層級表型性狀。

在設備開(kāi)發(fā)領(lǐng)域,德國Frauhofer研究院專(zhuān)門(mén)成立的植物表型研究團隊開(kāi)發(fā)了系列適用植物科學(xué)研究的計算機斷層掃描系統,如便攜式計算機掃描系統,臺式高精度計算機斷層掃描系統以及落地式大成像面積計算機斷層掃描系統以及高通量根系表型斷層掃描系統,Frauhofer專(zhuān)門(mén)成立的植物表型CT研究組致力于CT技術(shù)應用在植物的表型研究上。與傳統醫學(xué)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采用微焦點(diǎn)X射線(xiàn)成像原理進(jìn)行分辨率三維成像,可以在不破壞樣品(無(wú)需染色、無(wú)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(jìn)行結構、密度的定量分析,適用于觀(guān)察植物化石樣品結構和植物活體組織的細胞結構,近年來(lái)被廣泛應用于結構學(xué)、組織學(xué)、生物學(xué)特別是古生物學(xué)等研究領(lǐng)域,例如花、果實(shí)、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(jìn)其在植物根系表型組學(xué)以及生理生態(tài)領(lǐng)域的應用。

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