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VideometerMR根系表型成像系统研究

发布时间:2022-03-30 点击量:250

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,根系是陆地生态系统“隐藏的一半",而且是动态生长的,对其进行准确取样、观察和测定存在一定困难。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较大的影响。丹麦Videometer公司开发的根系多光谱原位监测系统是一款先进的根系多光谱测量系统,整体性能指标处于先进水准,已经在丹麦歌本哈根大学使用并取得了成绩。

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,多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。

丹麦Videometer公司开发的根系多光谱原位监测系统,是做根系研究的革新性专业装备,无论对于浅根系蔬菜还是浅根系乔木,都具有现实性研究意义。目前在根系研究领域中,对于玉米根系和小麦根系所作的研究比较多,但大多还采用传统不可重复的挖掘方法。植物根系原位监测仪的出现,改变了这种情况,使得植物研究人员在对根系进行研究的过程中,可以使用原位的方式,无损伤的进行监测。

来自歌本哈根大学的科学家利用Videometer公司构建的Radimax发表了题为Semi-field root phenotyping: Root traits for deep nitrate uptake的文章,文章发表于Plant Cell Environ.2021 Nov 21.doi: 10.1111/pce.14227.这已经是利用该设备发表的第五篇文章。该多光谱微根管成像系统专为设施农业设计,也可设计成便携式,应用于常规根系原位表型和生理生态研究。

1、半田间根系表型:深层硝酸盐吸收的根系特征

深根冬小麦基因型可以减少硝酸盐淋失,增加氮素吸收。我们旨在研究哪些深根性状与深氮吸收相关,并估计根系性状和深根15N示踪吸收的遗传变异。两年间,冬小麦基因型生长在RadiMax(一个半田间根系筛选设施)中。在主要生长季节进行了三次微根管根成像。开花时,在1.8m深度通过地下滴灌注入15N。对注射区域上方的成熟麦穗进行15N含量分析。根据基于微根管图像的根长数据,构建了82个性状,描述了根的深度、密度、分布和生长情况。用LASSO回归分析了它们预测15N吸收的能力。根系性状预测了两年内示踪物吸收变化分别为24%和14%。根系性状和基因型对示踪剂吸收均有显著影响。2018年,基因型和三个LASSO选择的根系性状预测了示踪剂吸收变化为41%,2019年,基因型和一个根系性状预测的示踪剂吸收变化48%。在这两年中,一个根系性状显著地介导了基因型对示踪剂吸收的影响。来自微根管图像的深根性状可以预测深氮吸收,表明具有培育深氮吸收基因型的潜力。

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2、地下收集的大数据有助于科学家开发未来作物

面对气候变化,未来的作物需要更具韧性,当欧洲气候连续第六次面临春季干旱时,研究人员和育种人员正在努力开发具有更深层根源的品种,以应对未来此类挑战。

然而,测量根系生长并非易事,在丹麦创新基金(Danish Innovation Fund)的投资下,歌本哈根大学的一个大型植物根系研究项目部署了RadiMax和大数据和定制软件来分析地下状态下的根系,研究人员将使用根筛选平台以及人工智能技术来加速开发耐旱作物品系。该根筛选设施RadiMax,可以同时测试600个品种。通过有机玻璃管可以监测每条管线中深度达3米的根部。

进一步需要在田间试验中测试相同的品种,以便将其胁迫模式与根系特征相关联。在这里,研究人员还将采用最新的无人机技术来测量胁迫水平。每个品种还将进行基因组分析,以便未来的育种家能够根据简单的DNA测试预测新育种材料的根系特性。

这项技术具有突破性,突破了传统RGB成像的局限,反映了农学领域的新思维。

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在丹麦塔斯特鲁普的RadiMax根系研究设施,600根5米长的透明管斜入地下。通过它们,多光谱相机捕捉到各种作物根系的图像。

之后,哥本哈根大学根项目研究人员仔细研究地下图像,以确定更强壮的具有更深根的作物品种-抵御干旱的作物品种。

根图像过去是手动分析的。为了克服如此大量图像中的根检测并提高精度,研究人员已经开始使用人工智能。目标是精确地描绘每个品种的根系形态,并选择根系体积最深的品种。植物研究人员、计算机科学教授和工程师之间通过卓有成效的合作开发了一种定制的软件工具,可以对图像进行解码,并将其转换为单个图像的系统根长测量。该软件的开发节省了非常长的工作时间,并使科研人员能够通过手动分析来进行根分析,否则将非常耗时。"

虽然用于图像分析的技术没有什么革命性的变化,但多光谱成像技术的应用是根研究领域的一场革新,分析大数据的软件工具具有创新性。"

软件发现根之间的遗传变异

根系研究设施建设的目的是在大麦、小麦、黑麦和黑麦草等作物中寻找根系发育植物品种。这些品种可以挖掘和利用土壤深层的营养物质和水,这是一个巨大的优势,特别是在现在这样的干旱的年份。

通过过去四年的研究,科研人员已经对现代作物的根系生长了解了很多,例如,在禾本科植物中,不同物种和品种之间的根系生长存在显著差异。当目标是利用遗传学来提高未来耐旱品种时,这一信息至关重要。"

在这个项目中,研究人员计划每年拍摄100多万张图像。到目前为止,研究人员已经成功地对5个数据集(每个数据集有30000张图像)进行了图像分析。Videometer公司开发的软件可以区分不同波长的像素反射差异。每个像素被分配一个概率,它是属于活根,还是属于土壤和死根。

在日复一日地手动翻阅图像后,人们可能会变得疲倦,改变他们对活根的看法。开发的算法从不会感到厌倦或迷惑,它在整个过程中都是均匀解码的。

农学和生物学的挑战

科研人员认为,农学和生物学研究的数据分析通常是一个非常大的挑战:获取收集原始数据的技术不是问题。问题是,它通常会在服务器上终止,传统方法在小型研究项目中通常已经足够,但RadiMax项目需要为外部合作伙伴(包括大公司)分析大量数据。这需要数据分析的系统化。

目前科学家已经利用该系统选用多个品系抗旱草、作物,并发表了多篇多光谱根系研究的文章。该设施的介绍如下:

丹麦Videometer公司开发的原位根系多光谱表型成像系统,是做根系研究的革新性专业设备,无论对于浅根系园艺蔬菜、作物种质资源、草种质资源还是深根系林木种质资源,都具有现实性研究意义。目前在根系研究尤其是表型研究领域中,对于草类、玉米根系和小麦根系所作的研究比较多,但大多还采用传统不可重复的挖掘方法。植物根系原位多光谱表型成像系统出现,改变了这种情况,使得植物研究人员在对根系进行研究的过程中,可以使用原位的方式、高分辨率、无损伤的进行监测,多光谱成像技术,因具有图谱合一的特点,今年成为植物科学研究的热点。

原位根系多光谱微根管表型成像系统

该系统分为单通道原位根系多光谱微根管表型成像系统以及多通道原位根系多光谱微根管表型成像系统,前者可以便携携带,是传统RGB成像的跨越和升级,后者主要用于设施规划中的高通量根系成像研究。

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单通道原位根系多光谱表型成像系统

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多通道原位根系多光谱表型成像系统

根系是植物主要吸水、营养物等器官,通过对根系监测和研究,能优化水肥方案,促进农作物、林业等产业增产增效,有利于土地荒漠化治理、土壤修复等。但长期以来,对根系研究主要是采用挖掘法、土钻法、土柱法、容器法、剖面法、传统可见光相机成像法等传统方法,采样破坏性大、工作量大、区分效果不佳,严重阻碍了根系研究的深入开展。《科学》杂志曾出版专辑认为,“人类对自己脚下土壤的了解远远不及对宇宙的了解",更是佐证了地下根系研究、生态学研究难度之大。因此,对根系研究方法的选择和改进,对科研结果影响巨大。

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5个波段下多光谱成像(405、450、590、660、940)

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5波段多光谱假彩RGB成像图

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四通道5波段多光谱根系微根管成像系统(图片来自歌本哈根大学)

丹麦根本哈根大学科学家等利用多光谱成像系统对植物植株、根系进行成像研究,取得了前瞻性的成果。该研究以深根系大麦为研究对象,将大麦下方埋了有3m长的微根管,使用Videometer公司的Videometer MR多光谱成像系统,定期通过根窗透明面对根系成像分析。原始光谱图像经过Videometer自带软件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。

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传统的RGB可见光成像技术目前是业界使用较多的技术,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可见光成像技术使用就会受限。歌本哈根将多光谱成像技术和传统的RGB成像技术进行了对比,显示多光谱成像技术基于光谱特征在根系识别上的明显优势,该系统可对颜色精确定量,符合国际通用的CIE色域空间颜色标准,可以区分异质的物质,如土壤和植物组织,可对土壤和根系分辨进行图像切割,专门对ROI感兴趣区域进行研究,也可区分新根和宿根以及正常根与发生病害的根系,系统分辨率高,可达30um/像素。科学家对多光谱成像的功能进行了探讨-即多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),显示了多光谱成像技术在根系研究领域的巨大潜力。

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