利用Videometer根系表型研究小麥深根

根系是植物主要吸水、營養(yǎng)物等器官，通過對根系監(jiān)測和研究，能優(yōu)化水肥方案，促進(jìn)農(nóng)作物、林業(yè)等產(chǎn)業(yè)增產(chǎn)增效，有利于土地荒漠化治理、土壤修復(fù)等。但長期以來，對根系研究主要是采用挖掘法、土鉆法、土柱法、容器法、剖面法、傳統(tǒng)可見光相機(jī)成像法等傳統(tǒng)方法，采樣破壞性大、工作量大、區(qū)分效果不佳，嚴(yán)重阻礙了根系研究的深入開展�！犊茖W(xué)》雜志曾出版專輯認(rèn)為，“人類對自己腳下土壤的了解遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及對宇宙的了解”，更是佐證了地下根系研究、生態(tài)學(xué)研究難度之大。因此，對根系研究方法的選擇和改進(jìn)，對科研結(jié)果影響巨大。

原位根系成像系統(tǒng)研究是當(dāng)前一個研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，目前較好的方法有原位微根管多光譜表型成像系統(tǒng)VideometerMR，該系統(tǒng)是做根系研究的革新性專業(yè)設(shè)備，無論對于淺根系園藝蔬菜、作物種質(zhì)資源、草種質(zhì)資源還是深根系林木種質(zhì)資源，都具有現(xiàn)實(shí)性研究意義。目前在根系研究尤其是表型研究領(lǐng)域中，對于草類、玉米根系和小麥根系所作的研究比較多，但大多還采用傳統(tǒng)不可重復(fù)的挖掘方法。植物根系原位多光譜表型成像系統(tǒng)出現(xiàn)，改變了這種情況，使得植物研究人員在對根系進(jìn)行研究的過程中，可以使用原位的方式、高分辨率、無損傷的進(jìn)行監(jiān)測，多光譜成像技術(shù)，因具有圖譜合一的特點(diǎn)，今年成為植物科學(xué)研究的熱點(diǎn)。
 

該系統(tǒng)分為單通道原位根系多光譜微根管表型成像系統(tǒng)以及多通道原位根系多光譜微根管表型成像系統(tǒng)，前者可以便攜攜帶，是傳統(tǒng)RGB成像的跨越和升級，后者主要用于設(shè)施規(guī)劃中的高通量根系成像研究。
 

單通道原位根系多光譜表型成像系統(tǒng)
 

多通道原位根系多光譜表型成像系統(tǒng)

5個波段下多光譜成像（405、450、590、660、940）

5波段多光譜假彩RGB成像圖

四通道5波段多光譜根系微根管成像系統(tǒng) 

原位根系多光譜微根管表型成像系統(tǒng)成像與圖像切割

歌本哈根大學(xué)構(gòu)建的型表型設(shè)施(RadiMax)用于在半田間條件下研究根系生長以及土壤資源獲取。設(shè)施包括4個單元，每個單元面積為400m2，分別安裝有150根微根管，允許對0.4 m–1.8 m或 0.7 m–2.8 m土壤深度間隔的根進(jìn)行觀察。根系觀測通過多光譜微根光成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。植物生長行與水分梯度垂直，設(shè)施安裝有多深度亞灌溉系統(tǒng)以及移動雨棚。水梯度可實(shí)現(xiàn)將根觀測與冠層脅迫反應(yīng)進(jìn)展相關(guān)聯(lián)。

半田間根系表型：深層硝酸鹽吸收的根系特征

深根冬小麥基因型可以減少硝酸鹽淋失，增加氮素吸收。我們旨在研究哪些深根性狀與深氮吸收相關(guān)，并估計(jì)根系性狀和深層15N示蹤吸收的遺傳變異。兩年內(nèi)，冬小麥基因型在半田間根系篩選設(shè)施RadiMax中生長。在主要生長季節(jié)進(jìn)行了三次微根管根系成像。開花時，在1.8m深，通過地下滴灌注入15N 。對注射區(qū)域上方的成熟麥穗進(jìn)行15N含量分析。根據(jù)基于微根管（minirhizotron）圖像的根長數(shù)據(jù)，構(gòu)建了82個性狀，描述了根的深度、密度、分布和生長情況。用LASSO回歸分析了它們預(yù)測的15N吸收的能力。根系性狀預(yù)測了2年內(nèi)示蹤物吸收變化的24%和14%。根系性狀和基因型對示蹤劑的吸收均有顯著影響。2018年，基因型和三個LASSO選擇的根系性狀預(yù)測了示蹤劑吸收變化的41%，2019年，基因型和一個根系性狀預(yù)測為48%。在這兩年間，一個根系性狀顯著地介導(dǎo)了基因型對示蹤劑吸收的影響。minirhizotron圖像中的深根性狀可以預(yù)測深氮吸收，表明培育深氮吸收基因型的潛力。