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當(dāng)前位置:> 供求商機(jī)> CI-600-植物根系圖像分析儀
1 背景
根系對植物起著支撐作用,是植物的吸水器官,吸鹽器官,在生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演著重要角色。但是,由于根系是大多數(shù)陸地生態(tài)系統(tǒng)“隱藏的一半”,對它進(jìn)行準(zhǔn)確取樣、測定、觀察存在一定困難。長期以來,對根系的研究主要還是采用挖掘法、土鉆法、土柱法、容器法、剖面法等傳統(tǒng)方法,采樣破壞性大、工作量大,嚴(yán)重阻礙了根系研究的深入開展?!?strong>科學(xué)》雜志于2004年6月出版了一本專輯認(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”,更是佐證了地下生態(tài)學(xué)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(jié)果具有更大的影響。
為了協(xié)助科研人員更好的進(jìn)行根系研究,更深入的了解地下“隱藏的一半”,澤泉生態(tài)開放實(shí)驗(yàn)室(Zealquest Laboratory for Ecological Research)推出一套根系研究的系統(tǒng)解決方案,希望這套方案能為科研人員的研究起到一定的幫助。
2 根系研究的系統(tǒng)解決方案
2.1 功能
1)原位、非破壞的研究植物根系
2)*分析植物根系
3)長期監(jiān)測植物根系的生長動態(tài)
4)大容量、高效率、高精度的獲取根系信息
5)利用盆栽植物進(jìn)行大批量快速篩選,獲得合適的突變株后直接移植到室外土壤中,繼續(xù)進(jìn)行長期監(jiān)測,進(jìn)行長期的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)
2.2 所需設(shè)備及用途
1)植物根系X-光掃描成像分析系統(tǒng)RootViz FS(室內(nèi))
* 對盆栽植物的根系進(jìn)行原位成像分析,可以拍攝根系的X-光立體照片
* *分析植物根系所有部分
* 在植物生長的不同階段對根系的生長進(jìn)行長期動態(tài)監(jiān)測
* 大批量篩選根系突變株
* *可控條件下進(jìn)行根系的生理、病理研究
2)植物根系生長監(jiān)測監(jiān)測系統(tǒng)CI-600(室外)
* 非破壞性的原位360度多層次旋轉(zhuǎn)式掃描成像系統(tǒng)
* 可定點(diǎn)、連續(xù)觀測根系在整個(gè)生長季的動態(tài)變化
* 大批量埋設(shè)根管,大量樣點(diǎn)的長期監(jiān)測
3)植物根系分析軟件WinRHIZO Tron MF
* 對RootViz FS和CI-600的測量結(jié)果進(jìn)行分析
* 可以分別對總根、活動根、活動根段的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析
* 可以改變顯示信息的顏色,給圖片、根系和片段添加注釋
* 可以拼接不同深度、不同時(shí)間獲得的圖像,進(jìn)行時(shí)空動力學(xué)變化分析
3 植物根系X-光掃描成像系統(tǒng)RootViz FS
*款為植物根系拍攝X-光照片的系統(tǒng),獲得2007年美國R&D 100大獎(“發(fā)明界的奧斯卡獎”)的產(chǎn)品。RootViz FS可以高效、高精度、非破壞性的對盆栽植物的根系進(jìn)行原位成像分析,可以*分析植物根系的所有部分(包括根尖等),并且可以在植物生長的不同階段對根系進(jìn)行長期動態(tài)監(jiān)測。
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3.1 對植物根系進(jìn)行X-光掃描成像的原理
植物根系生長在特制的X-光可穿透的培養(yǎng)容器和培養(yǎng)介質(zhì)中,一側(cè)用低能數(shù)字X-光發(fā)射器發(fā)出X-射線,穿過培養(yǎng)容器和介質(zhì)后在另一側(cè)通過閃爍發(fā)光體將X-射線轉(zhuǎn)換成可見光,然后利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行檢測。由于培養(yǎng)容器和介質(zhì)可被X-光穿透,而根系不被穿透,這樣就獲得了根系的X-光影像圖。由于選擇的是低能X-光,即使密度很低的根尖也不會被穿透,這樣就可以獲得全面的根系信息。X-光發(fā)射器前帶有可開關(guān)的防護(hù)門,當(dāng)門關(guān)閉后,所有X-射線被屏蔽掉。儀器外殼帶有內(nèi)鎖,不會發(fā)生X-光泄漏。
3.2根系X-光成像的特性
* 高分辨率的X-光立體成像
* 進(jìn)行長期動態(tài)監(jiān)測
* 獲得原位根系角度信息
* *可控條件下的生理、病理實(shí)驗(yàn)
* 大規(guī)??焖俸Y選根系突變株
3.3 根系X-光掃描成像系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)
* X-射線發(fā)生器: 20KeV@800mA;35u spot size
* X-射線數(shù)碼相機(jī): 1024 x 1024 CMOS;GdOs Scintillator
* 精確的三維調(diào)節(jié)工作臺: 精度達(dá)25 mm
* 速度:平面圖25株/h;立體圖15株/h
* 范圍:zui大根長0.6 m;zui大高度2.1 m
* 分辨率:2000×2048像素
3.4 根系X-光掃描成像系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例
應(yīng)用實(shí)例一:根系的X-光立體成像
玉米幼苗根系的X-光立體成像 |
應(yīng)用實(shí)例二:根系生長發(fā)育的長期動態(tài)監(jiān)測
第4天 | 第7天 | 第10天 | 第13天 | 第16天 | 第28天 | 第40天 |
玉米出苗后40天的根系動態(tài)生長監(jiān)測
(利用紅/藍(lán)立體眼鏡可以觀看立體效果)
應(yīng)用實(shí)例三:不同品種間根系角度差異分析
兩種水稻(Ra4993和Ra5531)的不同變種間根系的差異,利用植物根系X-光掃描成像分析系統(tǒng)可以容易的進(jìn)行分析,而傳統(tǒng)的洗根后掃描的方法會將根系間的角度差別忽略掉
(利用紅/藍(lán)立體眼鏡可以觀看立體效果)
應(yīng)用實(shí)例四:根系系統(tǒng)分類
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利用肉眼很難區(qū)分不同變種的大豆根根系,而根據(jù)植物根系X-光掃描成像分析系統(tǒng)的結(jié)果,以側(cè)根密度和主根長度為坐標(biāo)軸得出的散點(diǎn)圖,可以對大豆變種的根系進(jìn)行分類。上圖中,多根變種分布于中心線的上部,而正常品種分布于中心線的下部。也可以做成分類模型。這種方法可用于快速掃描后代的多根特性。
應(yīng)用實(shí)例五:根系病理學(xué)研究
感染病蟲的玉米根系 |
4 植物根系生長監(jiān)測監(jiān)測系統(tǒng)CI-600
4.1 CI-600的原理
植物根系生長監(jiān)測系統(tǒng)CI-600是*套“土壤原位360度多層次旋轉(zhuǎn)式掃描”獲取根系剖面圖像的方法。將透明根管埋設(shè)在需要研究的根系周圍后,定期使用旋轉(zhuǎn)式CCD線性掃描頭對根系360度多層次掃描,然后借助專業(yè)根系分析軟件系統(tǒng)對混合圖像進(jìn)行分析,從而跟蹤了解根系的長期生長動態(tài)。
4.2 CI-600的特性
* 非破壞性的原位測量
* 可獲取188兆像素高分辨率彩色圖像
* 不變形的線性掃描
* 每次掃描可獲得21.56 x 19.56cm的高分辨率圖像
* 極便攜、易操作、測量快
* 可以掃描根系不同層次的圖像,合成后獲得整體根系的剖面圖
* 可定點(diǎn)、連續(xù)觀測根系在整個(gè)生長季的動態(tài)變化
* USB數(shù)據(jù)傳輸,測量、存儲方便
* 配合根系動態(tài)分析軟件,后續(xù)分析功能強(qiáng)大
4.3 CI-600的主要技術(shù)參數(shù)
* 掃描頭分辨率:zui大1200dpi或188兆像素
* 單圖尺寸:21.56 x 19.56 cm
* 掃描速度:5~15s
* 電腦接口:USB
* 供電:電腦USB供電
* 掃描頭尺寸:直徑6.4cm,長34.3cm
* 透明根管尺寸:內(nèi)徑6.4cm,長182.9cm(長度可以定制)
* 重量:約1Kg
4.4 CI-600的應(yīng)用實(shí)例
右圖為Northern Arizona University的Dylan Fischer博士的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,從上到下為連續(xù)掃描的6張360度圖片拼接在一起,每張圖片的原始尺寸為21.59 x 19.56 cm。
(這里為了排版需要,將圖片的分辨率大大降低)
5 植物根系分析軟件WinRHIZO Tron MF
根系分析軟件WinRHIZO Tron MF是一款功能非常強(qiáng)大的專業(yè)根系分析軟件,可以對RootViz FS和CI-600的測量結(jié)果進(jìn)行分析,其主要特性如下:
◆ 總根測量(根長、表面積、投影面積、體積、平均直徑和數(shù)目的提示)
◆ 活動根的名稱和它的測量數(shù)據(jù)(長度,表面積...)
◆ 活動根段的編號和其測量數(shù)據(jù)(長度,比表面積...)
◆ 可以移動分析區(qū)域里單個(gè)根或所有根系
◆ 可以改變顯示信息的顏色
◆ 可以給圖片、根系和片段添加注釋
◆ 可以將根管不同深度不同時(shí)間的掃描圖像連接起來進(jìn)行整體分析
◆ 文件以ASCII文本格式保存,兼容多數(shù)表格程序(如Excel)
時(shí)空變化分析(橫軸為時(shí)間,不同季節(jié);縱軸為空間,不同深度) |
6 根系研究系統(tǒng)解決方案的應(yīng)用
這套根系研究的系統(tǒng)解決方案綜合了植物根系X-光掃描成像分析系統(tǒng)RootViz FS和植物根系生長監(jiān)測系統(tǒng)CI-600的強(qiáng)大、革命性的測量功能,以及根系分析軟件WinRHIZO Tron MF的強(qiáng)大分析功能。三者有機(jī)結(jié)合,融會貫通,可以廣泛的應(yīng)用于根系研究領(lǐng)域:
◆ 根系的發(fā)育周期和再生周期
◆ 根際形態(tài)學(xué)和分類學(xué)的研究
◆ 根際生態(tài)過程與調(diào)控
◆ 推進(jìn)和開發(fā)功能基因組學(xué)的研究
◆ 突變體及作物育種的鑒定和篩選
◆ 植物生態(tài)學(xué)研究
◆ 環(huán)境保護(hù)和修復(fù)
◆ 能源苗木的培養(yǎng)及果樹育苗與引種
◆ 森林培育和林學(xué)
◆ 花卉栽培和保護(hù)
◆ 細(xì)根生理和功能異質(zhì)
◆ 根系周轉(zhuǎn)和生態(tài)驅(qū)動
◆ 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中作物生長及節(jié)水灌溉
◆ 防風(fēng)固沙與水土保持
◆ 根系對鹽、干旱、重金屬等逆境脅迫的生理生態(tài)響應(yīng)
◆ 植物病理學(xué)的研究
利用這套系統(tǒng),可以對盆栽植物進(jìn)行大批量快速篩選,獲得合適的突變株后直接移植到室外土壤中,繼續(xù)進(jìn)行長期監(jiān)測,進(jìn)行長期的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)
7 展望
這套根系研究的系統(tǒng)解決方案用于原位、非破壞性地研究根系,可以長期監(jiān)測根系的生長動態(tài),*打破了長期以來根系研究的瓶頸。植物根系X-光掃描成像分析系統(tǒng)RootViz FS側(cè)重于室內(nèi)研究,是目前世界上的根系研究系統(tǒng),幾乎可以應(yīng)用于所有和根系有關(guān)的研究中。美國能源部利用其開展對美國白楊生物能源開發(fā)利用,杜克大學(xué)的Benefy Lab利用其進(jìn)行功能基因組學(xué)研究,探討植物抗逆機(jī)制。植物根系生長監(jiān)測監(jiān)測系統(tǒng)CI-600側(cè)重于室外研究,是微根窗(minirhizotron)技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)品,在國外已廣泛地應(yīng)用于森林、草地、沙漠、果園及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)等植物根系研究中。這兩種技術(shù)在根系研究進(jìn)程中都被認(rèn)為是重要的里程碑,必將改變根系研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于地上部分研究的現(xiàn)狀,為根系研究的跨越式發(fā)展起到巨大的推動作用。
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