高光譜成像技術在根系表型分析中的應用

    根系是植物的重要組成部分，植物吸收土壤中的水分與養分全依賴根系，所以根系的研究對于植物各學科來說都至關重要，但是根系分布在地面以下，而且是動態生長的，這就給根系的監測帶來了很多困難。《Nature》雜志于2004年6月出版了一本專輯認為“人類對自己腳下土壤的了解遠遠不及對宇宙的了解”，更是佐證了地下生態學的研究難度之大。所以，根系研究方法的選擇，相對于對地上部分而言對研究結果具有更大的影響。

    傳統的根窗或微根窗彩色成像技術是利用顏色識別根系，前提是根系和土壤之間要有比較明顯的反差，但實際根系生長在土壤中，顏色差異并不明顯，這樣根系識別可能會造成比較大的誤差，RGB成像技術使用就會受限。高光譜成像技術基于光譜特征在根系識別上具備明顯優勢，并且光譜特征對于根系生化特性的識別例如細根發生、成熟、衰老、死亡的周轉過程，根際分泌物成分的變化等，都顯示了高光譜成像技術在根系研究領域的巨大潛力。

    奧地利自然資源與生命科學大學（University of Natural Resources and Life Sciences）作物科學系的Gernot Bodner等利用Specim高光譜成像技術，以硬粒小麥(Triticum durum)為研究對象，以5nm的光譜分辨率（900nm-1700 nm之間256個光譜帶），定期通過根窗進行高光譜成像分析，空間分辨率達0.1 mm。原始光譜圖像經過算法處理后得到目標根系圖像，隨后進行閾值分割、模糊聚類等模型分析，得到根系的形態學數據、根系生長衰老動態乃至根系生化數據。

1649-1447 nm光譜反射率和根系衰變過程的關系（右圖柱狀標尺顯示為天數）

北京易科泰生態技術公司提供根系觀測研究技術全面解決方案：

• MiniRhizotron微根窗技術根系觀測系統方案，包括根系與土壤水分同步監測技術方案
• Rhizotron根窗技術原位（in-situ）根系表型成像分析技術方案，包括RGB掃描成像分析技術、Specim高光譜成像分析技術、根系生長環境監測技術（土壤水、溫度、光源、O2等環境因子監控）
• PlantScreen全自動高通量根系表型成像分析系統（RGB成像技術）
• Specim高光譜根系掃描成像分析系統（ex-situ技術，洗根后掃描成像分析）
• SisuCHEMA高光譜成像分析系統
• ScieTrace LIBS根系元素分布分析系統

左圖為不同直徑細根高光譜成像反射光譜；右圖為不同濃度Cu²⁺溶液處理蠶豆幼苗根橫切面LIBS元素分布分析結果（a,b,c,d），e）為樣品區特征譜線，f）Cu²⁺濃度降低其對應譜線強度也依次降低