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植物根系表型研究新技术——高光谱成像技术

植物根系表型研究新技术——高光谱成像技术

   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。

广大科研工作者为了研究根系,应用了很多方法,从传统的挖掘法、根钻法、玻璃壁法、容器法等等,到现代的根窗法、微根管法等等,取得了很多科研成果。随着科技的发展,越来越多的现代高精尖技术应用到根系研究中来,高光谱成像技术就是其中一种,它集光谱和图像为一体,含有海量的光谱信息和空间信息,这些信息体现了植物各种器官、组织的诸多表型特性,该技术图谱合一的特性使其在根系表型方面具有较大潜力。

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等利用高光谱成像系统对根系进行成像研究,取得了前瞻性的成果。

该研究以硬粒小麦(Triticum durum)为研究对象,将小麦种植在一面透明的根盒内,使用Specim 公司的ImSpector N17E(完整系统型号为SPECIM FX17)高光谱成像系统,该系统能够以5nm的光谱分辨率(900nm-1700 nm之间256个光谱带)进行成像,空间分辨率达0.1mm,定期通过根窗透明面对根系成像分析。

原始光谱图像经过一系列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。

 

传统的RGB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色差,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。Gernot Bodner将高光谱成像技术和传统的RGB成像技术进行了对比,显示高光谱成像技术基于光谱特征在根系识别上的明显优势,并且对高光谱成像另一项无可比拟的功能进行了初步探讨——即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;例如根际分泌物成分的变化等),显示了高光谱成像技术在根系研究领域的巨大潜力。

1649-1447 nm光谱反射率和根系衰变过程的关系

 

易科泰生态技术公司为各领域应用提供高光谱成像技术全面解决方案:

ü  Specim IQ 手持式VNIR高光谱成像仪

ü  Specim FX10/FX17轻便型高光谱成像仪

ü  Specim AisaIBIS叶绿素荧光高光谱成像仪

ü  sisuCHEMA高光谱成像分析系统

ü  SpectraScan高光谱成像分析系统

 

广泛应用于:

   植物/作物表型组学研究分析

   根系分析

蛋白组学研究分析

   代谢组学研究分析

   藻类表型研究分析

作物育种与种子品质检测

   植物/作物胁迫生理响应

   作物病理学分析与病原检测

   食品检测

中药成分分析与品质检测

   海洋科学研究

地质地球科学、生态与环境科学及工业领域等