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    高光谱成像技术在根系表型分析中的应用

    发布时间: 2018-11-27  点击次数: 1524次

        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