CI-600植物根系生长监测系统

1 背景根系对植物起着支撑作用，是植物的吸水器官，吸盐器官，在生态系统的生物地球化学循环中扮演着重要角色。但是，由于根系是大多数陆地生态系统“隐藏的一半”，对它进行准确取样、测定、观察存在一定困难。长期以来，对根系的研究主要还是采用挖掘法、土钻法、土柱法、容器法、剖面法等传统方法，采样破坏性大、工作量大，严重阻碍了根系研究的深入开展。《科学》杂志于2004年6月出版了一本专辑认为“人类对自己脚下土壤的了解远远不及对宇宙的了解”，更是佐证了地下生态学的研究难度之大。所以，根系研究方法的选择，相对于对地上部分而言对研究结果具有更大的影响。

为了协助科研人员更好的进行根系研究，更深入的了解地下“隐藏的一半”，泽泉生态开放实验室(Zealquest Laboratory for Ecological Research)推出一套根系研究的系统解决方案，希望这套方案能为科研人员的研究起到一定的帮助。2 根系研究的系统解决方案 2.1 功能1)原位、非破坏的研究植物根系2)全方位分析植物根系3)长期监测植物根系的生长动态4)大容量、GX率、高精度的获取根系信息5)利用盆栽植物进行大批量快速筛选，获得合适的突变株后直接移植到室外土壤中，继续进行长期监测，进行长期的系统性实验2.2 所需设备及用途1)植物根系X-光扫描成像分析系统RootViz FS(室内)＊ 对盆栽植物的根系进行原位成像分析，可以拍摄根系的X-光立体照片＊ 全方位分析植物根系所有部分＊ 在植物生长的不同阶段对根系的生长进行长期动态监测＊ 大批量筛选根系突变株＊ 完全可控条件下进行根系的生理、病理研究2)植物根系生长监测监测系统CI-600(室外)＊ 非破坏性的原位360度多层次旋转式扫描成像系统＊ 可定点、连续观测根系在整个生长季的动态变化＊ 大批量埋设根管，大量样点的长期监测3)植物根系分析软件WinRHIZO Tron MF＊ 对RootViz FS和CI-600的测量结果进行分析＊ 可以分别对总根、活动根、活动根段的测量数据进行全面分析＊ 可以改变显示信息的颜色，给图片、根系和片段添加注释＊ 可以拼接不同深度、不同时间获得的图像，进行时空动力学变化分析3 植物根系X-光扫描成像系统RootViz FS一款为植物根系拍摄X-光照片的系统，获得2007年美国R&D 100大奖(“发明界的奥斯卡奖”)的产品。RootViz FS可以GX、高精度、非破坏性的对盆栽植物的根系进行原位成像分析，可以全方位分析植物根系的所有部分(包括根尖等)，并且可以在植物生长的不同阶段对根系进行长期动态监测。

小型分析系统	大型分析系统	大型分析系统的内部构造

3.1 对植物根系进行X-光扫描成像的原理植物根系生长在特制的X-光可穿透的培养容器和培养介质中，一侧用低能数字X-光发射器发出X-射线，穿过培养容器和介质后在另一侧通过闪烁发光体将X-射线转换成可见光，然后利用数码相机进行检测。由于培养容器和介质可被X-光穿透，而根系不被穿透，这样就获得了根系的X-光影像图。由于选择的是低能X-光，即使密度很低的根尖也不会被穿透，这样就可以获得全面的根系信息。X-光发射器前带有可开关的防护门，当门关闭后，所有X-射线被屏蔽掉。仪器外壳带有内锁，不会发生X-光泄漏。3.2根系X-光成像的特性＊ 高分辨率的X-光立体成像＊ 进行长期动态监测＊ 获得原位根系角度信息＊ 完全可控条件下的生理、病理实验＊ 大规模快速筛选根系突变株3.3 根系X-光扫描成像系统的主要技术参数＊ X-射线发生器: 20KeV@800mA；35u spot size＊ X-射线数码相机: 1024 x 1024 CMOS；GdOs Scintillator＊ 精确的三维调节工作台: 精度达25 mm＊ 速度：平面图25株/h；立体图15株/h＊ 范围：Z大根长0.6 m；Z大高度2.1 m＊ 分辨率：2000×2048像素3.4 根系X-光扫描成像系统的应用实例应用实例一：根系的X-光立体成像

玉米幼苗根系的X-光立体成像 (利用红/蓝立体眼镜可以观看立体效果)(为了排版方便，将实际图片旋转了90度)

应用实例二：根系生长发育的长期动态监测

第4天	第7天	第10天	第13天	第16天	第28天	第40天

玉米出苗后40天的根系动态生长监测(利用红/蓝立体眼镜可以观看立体效果)应用实例三：不同品种间根系角度差异分析两种水稻(Ra4993和Ra5531)的不同变种间根系的差异，利用植物根系X-光扫描成像分析系统可以容易的进行分析，而传统的洗根后扫描的方法会将根系间的角度差别忽略掉(利用红/蓝立体眼镜可以观看立体效果)应用实例四：根系系统分类利用肉眼很难区分不同变种的大豆根根系，而根据植物根系X-光扫描成像分析系统的结果，以侧根密度和主根长度为坐标轴得出的散点图，可以对大豆变种的根系进行分类。上图中，多根变种分布于ZX线的上部，而正常品种分布于ZX线的下部。也可以做成分类模型。这种方法可用于快速扫描后代的多根特性。应用实例五：根系病理学研究

感染病虫的玉米根系 图中灰点为虫卵 未感染的玉米根系

4 植物根系生长监测监测系统CI-6004.1 CI-600的原理植物根系生长监测系统CI-600是一套“土壤原位360度多层次旋转式扫描”获取根系剖面图像的方法。将透明根管埋设在需要研究的根系周围后，定期使用旋转式CCD线性扫描头对根系360度多层次扫描，然后借助专业根系分析软件系统对混合图像进行分析，从而跟踪了解根系的长期生长动态。4.2 CI-600的特性＊ 非破坏性的原位测量＊ 可获取188兆像素高分辨率彩色图像＊ 不变形的线性扫描＊ 每次扫描可获得21.56 x 19.56cm的高分辨率图像＊ 极便携、易操作、测量快＊ 可以扫描根系不同层次的图像，合成后获得整体根系的剖面图＊ 可定点、连续观测根系在整个生长季的动态变化＊ USB数据传输，测量、存储方便＊ 配合根系动态分析软件，后续分析功能强大4.3 CI-600的主要技术参数＊ 扫描头分辨率：Z大1200dpi或188兆像素＊ 单图尺寸：21.56 x 19.56 cm＊ 扫描速度：5～15s＊ 电脑接口：USB＊ 供电：电脑USB供电＊ 扫描头尺寸：直径6.4cm，长34.3cm＊ 透明根管尺寸：内径6.4cm，长182.9cm(长度可以定制)＊ 重量：约1Kg４.4 CI-600的应用实例右图为Northern Arizona University的Dylan Fischer博士的实验结果，从上到下为连续扫描的6张360度图片拼接在一起，每张图片的原始尺寸为21.59 x 19.56 cm。(这里为了排版需要，将图片的分辨率大大降低)5 植物根系分析软件WinRHIZO Tron MF根系分析软件WinRHIZO Tron MF是一款功能非常强大的专业根系分析软件，可以对RootViz FS和CI-600的测量结果进行分析，其主要特性如下：◆ 总根测量(根长、表面积、投影面积、体积、平均直径和数目的提示)◆ 活动根的名称和它的测量数据(长度，表面积...)◆ 活动根段的编号和其测量数据(长度，比表面积...)◆ 可以移动分析区域里单个根或所有根系◆ 可以改变显示信息的颜色◆ 可以给图片、根系和片段添加注释◆ 可以将根管不同深度不同时间的扫描图像连接起来进行整体分析◆ 文件以ASCII文本格式保存，兼容多数表格程序(如Excel)

时空变化分析(横轴为时间，不同季节；纵轴为空间，不同深度)

6 根系研究系统解决方案的应用这套根系研究的系统解决方案综合了植物根系X-光扫描成像分析系统RootViz FS和植物根系生长监测系统CI-600的强大、革命性的测量功能，以及根系分析软件WinRHIZO Tron MF的强大分析功能。三者有机结合，融会贯通，可以广泛的应用于根系研究领域： ◆ 根系的发育周期和再生周期◆ 根际形态学和分类学的研究◆ 根际生态过程与调控◆ 推进和开发功能基因组学的研究◆ 突变体及作物育种的鉴定和筛选◆ 植物生态学研究◆ 环境保护和修复◆ 能源苗木的培养及果树育苗与引种◆ 森林培育和林学◆ 花卉栽培和保护◆ 细根生理和功能异质◆ 根系周转和生态驱动◆ 农业生态系统中作物生长及节水灌溉◆ 防风固沙与水土保持◆ 根系对盐、干旱、重金属等逆境胁迫的生理生态响应◆ 植物病理学的研究利用这套系统，可以对盆栽植物进行大批量快速筛选，获得合适的突变株后直接移植到室外土壤中，继续进行长期监测，进行长期的系统性实验7 展望这套根系研究的系统解决方案用于原位、非破坏性地研究根系，可以长期监测根系的生长动态，彻底打破了长期以来根系研究的瓶颈。植物根系X-光扫描成像分析系统RootViz FS侧重于室内研究，是目前世界上先进的根系研究系统，几乎可以应用于所有和根系有关的研究中。美国能源部利用其开展对美国白杨生物能源开发利用，杜克大学的Benefy Lab利用其进行功能基因组学研究，探讨植物抗逆机制。植物根系生长监测监测系统CI-600侧重于室外研究，是微根窗(minirhizotron)技术应用的先进产品，在国外已广泛地应用于森林、草地、沙漠、果园及农业生态系统等植物根系研究中。这两种技术在根系研究进程中都被认为是重要的里程碑，必将改变根系研究远远落后于地上部分研究的现状，为根系研究的跨越式发展起到巨大的推动作用。