原位微根管根系多光谱表型成像系统在植物、作物根系研究中的应用
根系是植物主要吸水、营养物并支撑植物地上部分的重要器官,是植物研究的热点之一。通过对根系监测和研究，能优化水肥方案，促进农作物、林业等产业增产增效，加速植物、作物育种，有利于土地荒漠化治理、土壤修复等。但长期以来，由于植物根系生长环境的复杂性和不透明性,导致植物根系研究发展相对缓慢，对根系研究主要是采用挖掘法、土钻法、土柱法、容器法、剖面法、传统可见光相机成像法等传统方法，采样破坏性大、工作量大、区分效果不佳，严重阻碍了根系研究的深入开展。《科学》杂志曾出版专辑认为，“人类对自己脚下土壤的了解远远不及对宇宙的了解”，更是佐证了地下根系研究、生态学研究难度之大。因此，对根系研究方法的选择和改进，对科研结果影响巨大。
根系成像技术的出现和快速发展为植物根系的研究提供了更直观、有效的研究方法，如中子成像技术、X射线扫描技术、核磁共振成像技术、探地雷达、荧光成像技术、激光共聚焦成像技术、多光谱成像技术、高光谱成像技术和计算机断层扫描成像技术等，根据植物的生长特性以及生长环境状况,利用多光谱原位监测马根系发育且不破坏其生长。
丹麦Videometer公司开发的原位根系多光谱表型成像系统，是做根系研究的革新性专业设备，无论对于浅根系园艺蔬菜、作物种质资源、草种质资源还是深根系林木种质资源，都具有现实性研究意义。目前在根系研究尤其是表型研究领域中，对于草类、玉米根系和小麦根系所作的研究比较多，但大多还采用传统不可重复的挖掘方法。植物根系原位多光谱表型成像系统出现，改变了这种情况，使得植物研究人员在对根系进行研究的过程中，可以使用原位的方式、高分辨率、无损伤的进行监测，多光谱成像技术，因具有图谱合一的特点，今年成为植物科学研究的热点。
原位根系多光谱微根管表型成像系统
该系统分为单通道原位根系多光谱微根管表型成像系统以及多通道原位根系多光谱微根管表型成像系统，前者可以便携携带，是传统RGB成像的跨越和升级，后者主要用于设施规划中的高通量根系成像研究。
单通道原位根系多光谱表型成像系统
5波段多光谱假彩RGB成像图
四通道多光谱根系成像系统（图片来自歌本哈根大学、禁止盗图、侵权必究）
丹麦根本哈根大学科学家等利用多光谱成像系统对植物植株、根系进行成像研究，取得了前瞻性的成果。该研究以深根系大麦为研究对象，将大麦下方埋了有3m长的微根管，使用Videometer公司的Videometer MR多光谱成像系统，定期通过根窗透明面对根系成像分析。原始光谱图像经过Videometer自带软件一系列算法处理后得到目标根系图像，随后进行阈值分割、模糊聚类等模型分析，得到根系的形态学数据。
传统的RGB可见光成像技术目前是业界使用较多的技术，是利用颜色识别根系，前提是根系和土壤之间要有比较明显的色差，但实际根系生长在土壤中，颜色差异并不明显，这样根系识别可能会造成比较大的误差，RGB可见光成像技术使用就会受限。歌本哈根将多光谱成像技术和传统的RGB成像技术进行了对比，显示多光谱成像技术基于光谱特征在根系识别上的明显优势，该系统可对颜色精确定量，符合国际通用的CIE色域空间颜色标准，可以区分异质的物质，如土壤和植物组织，可对土壤和根系分辨进行图像切割，专门对ROI感兴趣区域进行研究，也可区分新根和宿根以及正常根与发生病害的根系，系统分辨率高，可达30um/像素。科学家对多光谱成像的功能进行了探讨-即多光谱特征对于根系生化特性的识别（例如细根发生、成熟、衰老、死亡的周转过程；例如根际分泌物成分的变化等），显示了多光谱成像技术在根系研究领域的巨大潜力。
研究案例1
Construction of a large-scale semi-feld facility to study genotypic diferences in deep root growth and resources acquisition
摘要
背景:根是植物的关键器官，要实现产量稳定，有效利用来自土壤资源至关重要。但作物基因型之间的根性状表型变异多数还未知，田间根系发育筛查昂贵且耗力。因此，函待开发在田间进行全生长植物根系性状、特别是位于土壤深层的根系研究的新方法。
结果:研究人员开发了一种新型表型设施(RadiMax)用于在半田间条件下研究根系生长以及土壤资源获取。设施包括4个单元，每个单元面积为400m2，分别安装有150根微根管，允许对0.4 m–1.8 m或 0.7 m–2.8 m土壤深度间隔的根进行观察。根系观测通过多光谱微根光成像系统实现。植物生长行与水分梯度垂直，设施安装有多深度亚灌溉系统以及移动雨棚。水梯度可实现将根观测与冠层胁迫反应进展相关联。
结论:要验证以上技术概念，选择了栽培种春大麦 (Hordeum vulgare L.) ，种植在该系统中进行为期两季的研究。利用该系统可观测到不同深根生长基因型差异，在水梯度下，可观测到地上部的生理反应。尽管进一步技术开发和技术验证还在进行中，半田间设施不失为一种在土壤深层鉴别土壤资源有效利用的根基因差异的新方法。
关键词:干旱，微根管，氮元素，表型，根，半田间土壤，水，多光谱成像
原位根系多光谱微根管表型成像系统成像与图像切割
利用该系统发表的文献
1、A multispectral camera system for automated minirhizotron image analysis
Simon Fiil Svane, Erik Bjørnager Dam, Jens Michael Carstensen & Kristian Thorup-Kristensen
Plant and Soil volume 441, pages657–672 (2019)
2、Construction of a large-scale semi-field facility to study genotypic differences in deep root growth and resources acquisition
Simon Fiil Svane, Christian Sig Jensen & Kristian Thorup-Kristensen
Plant Methods volume 15
3、Genomic prediction of yield and root development in wheat under changing water availability
Xiangyu Guo, Simon F. Svane, Winnie S. Füchtbauer, Jeppe R. Andersen, Just Jensen & Kristian Thorup-Kristensen
Plant Methods volume 16,
北京博普特科技有限公司是丹麦Videometer公司中国区总代理，全面负责其系列多光谱成像产品在中国市场的推广、销售和售后服务，目前为止，利用Videometer进行研究的文章已经多达300多篇，在近视距多光谱表型成像研究领域，Videometer无疑代表了业界高水准。
