高光谱成像技术在根系表型分析中的应用

    根系是植物的重要组成部分，植物吸收土壤中的水分与养分全依赖根系，所以根系的研究对于植物各学科来说都至关重要，但是根系分布在地面以下，而且是动态生长的，这就给根系的监测带来了很多困难。《Nature》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。

    传统的根窗或微根窗彩色成像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反差，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成像技术使用就会受限。高光谱成像技术基于光谱特征在根系识别上具备明显优势，并且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，根际分泌物成分的变化等，都显示了高光谱成像技术在根系研究领域的巨大潜力。

    奥地利自然资源与生命科学大学（University of Natural Resources and Life Sciences）作物科学系的Gernot Bodner等利用Specim高光谱成像技术，以硬粒小麦(Triticum durum)为研究对象，以5nm的光谱分辨率（900nm-1700 nm之间256个光谱带），定期通过根窗进行高光谱成像分析，空间分辨率达0.1 mm。原始光谱图像经过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、根系生长衰老动态乃至根系生化数据。

1649-1447 nm光谱反射率和根系衰变过程的关系（右图柱状标尺显示为天数）

北京易科泰生态技术公司提供根系观测研究技术全面解决方案：

• MiniRhizotron微根窗技术根系观测系统方案，包括根系与土壤水分同步监测技术方案
• Rhizotron根窗技术原位（in-situ）根系表型成像分析技术方案，包括RGB扫描成像分析技术、Specim高光谱成像分析技术、根系生长环境监测技术（土壤水、温度、光源、O2等环境因子监控）
• PlantScreen全自动高通量根系表型成像分析系统（RGB成像技术）
• Specim高光谱根系扫描成像分析系统（ex-situ技术，洗根后扫描成像分析）
• SisuCHEMA高光谱成像分析系统
• ScieTrace LIBS根系元素分布分析系统

左图为不同直径细根高光谱成像反射光谱；右图为不同浓度Cu²⁺溶液处理蚕豆幼苗根横切面LIBS元素分布分析结果（a,b,c,d），e）为样品区特征谱线，f）Cu²⁺浓度降低其对应谱线强度也依次降低