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植物根系表型研究新技術——高光譜成像技術

植物根系表型研究新技術——高光譜成像技術

? ?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。

廣大科研工作者為了研究根系,應用了很多方法,從傳統的挖掘法、根鉆法、玻璃壁法、容器法等等,到現代的根窗法、微根管法等等,取得了很多科研成果。隨著科技的發展,越來越多的現代高精尖技術應用到根系研究中來,高光譜成像技術就是其中一種,它集光譜和圖像為一體,含有海量的光譜信息和空間信息,這些信息體現了植物各種器官、組織的諸多表型特性,該技術圖譜合一的特性使其在根系表型方面具有較大潛力。

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等利用高光譜成像系統對根系進行成像研究,取得了前瞻性的成果。

該研究以硬粒小麥(Triticum durum)為研究對象,將小麥種植在一面透明的根盒內,使用Specim 公司的ImSpector N17E(完整系統型號為SPECIM FX17)高光譜成像系統,該系統能夠以5nm的光譜分辨率(900nm-1700 nm之間256個光譜帶)進行成像,空間分辨率達0.1mm,定期通過根窗透明面對根系成像分析。

原始光譜圖像經過一系列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。

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傳統的RGB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色差,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。Gernot Bodner將高光譜成像技術和傳統的RGB成像技術進行了對比,顯示高光譜成像技術基于光譜特征在根系識別上的明顯優勢,并且對高光譜成像另一項無可比擬的功能進行了初步探討——即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;例如根際分泌物成分的變化等),顯示了高光譜成像技術在根系研究領域的巨大潛力。

1649-1447 nm光譜反射率和根系衰變過程的關系

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易科泰生態技術公司為各領域應用提供高光譜成像技術全面解決方案:

ü? Specim IQ 手持式VNIR高光譜成像儀

ü? Specim FX10/FX17輕便型高光譜成像儀

ü? Specim AisaIBIS葉綠素熒光高光譜成像儀

ü? sisuCHEMA高光譜成像分析系統

ü? SpectraScan高光譜成像分析系統

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廣泛應用于:

??? 植物/作物表型組學研究分析

??? 根系分析

蛋白組學研究分析

??? 代謝組學研究分析

??? 藻類表型研究分析

作物育種與種子品質檢測

??? 植物/作物脅迫生理響應

??? 作物病理學分析與病原檢測

??? 食品檢測

中藥成分分析與品質檢測

??? 海洋科學研究

地質地球科學、生態與環境科學及工業領域等?

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