59-可见光和近红外成像分析根系生长和功能

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可见光和近红外成像分析根系生长和功能


背景

目前，可以通过很多种方法对植物地上部生长、形态和结构进行研究，但对于地下部根系系统的研

究则相对比较困难，尤其在不破坏根系情况下，在大田环境下获得植物根系生长信息几乎不可能实现。

相比较而言，温室中盆栽植物的根系容易一些，但也很难实现高通量的植物根系研究。

像 X-光和核磁共振成像等方法，虽然可以获得很好的根系 3D 图像，但需要特定的培养介质，这势

必会与根系真实生长环境不同，造成实验误差。而在滤纸上或者琼脂中培养根系进行研究，可以解决一

些特定的问题，但离反映根系与土壤之间真实的相互作用关系相差甚远。无论如何，影响根系生长的因

素大多来自于土壤，研究者的最终目的是获得根系在土壤中真实的生长信息，尤其是在营养缺乏、干旱

胁迫、盐碱胁迫、生物胁迫等条件下的根系生长动态，这就要求我们必须把人工介质完全屏蔽掉。量化

植物根系结构，就意味着在特定水分和营养条件下，通过植物根系的形态和构造的分析来反映根系功能。

由于土壤中的营养物质大部分通过根毛吸收，因此对于根毛的量化分析是十分必要的，但根毛的分析难

度较大，需要耗费大量的人力和时间才能完成，即使我们能够对根毛进行分析，但也仅仅局限在很小的

根段上，很难反映整个根系系统的情况。因此，根系水分利用效率的研究是极其困难的，尤其是再加上

真菌因素的影响，使得测定过程更加艰难。通过先进的成像技术，LemnaTec 旨在提供一套全面研究根

系的测定系统：

根系重要部分的可视化分析；

自然土壤培养根系；

温室中培养根系，尽量使温室环境接近田间环境；

同时对根系和种芽进行成像；

可重复、无损伤的研究植物根系生长发育；

在特定的土层深度范围内，研究根系的水分/养分利用效率。

根柱测定系统

植物种植在装有自然土的透明根管中，下面将介绍如何测定植物根系，并显示数据的过程。当然，

程序中的某些主要步骤需要根据实际问题具体调整，例如土壤类型和土壤装管方式等等。透明根管的直

径为 5-10cm，高度为 50cm，根据不同的植物种类和实验要求，可以适当的调整根管的高度。根管底部

密封，仅留有一个 4mm 的洞和 1cm 的排水层。添加的土壤为之前牧场的表层土（肥土），土壤经过风干

过筛（5mm），去除其中的残留根系和石块，通过在牧场上锤击根管来加土。LemnaTec 推荐使用相对干

燥的土壤，并小心压实 5cm 土层，避免不紧实区变成空隙（土壤和根管），引起水分流向改变和氧气浓

度的升高，从而影响根系生长发育，这也是不建议采用大量有机土的主要原因。

土壤装入根管后，上面留有 3cm 的空间，由于土壤压实比较紧密，这个空间后期不会有太大变化，

也可以根据实验要求，采用更高的根管，并留有更大的空间，以便一次可以浇更大量的水，这对于需水

量较大的植物或者模拟降雨量是非常重要的。根管最好放于单独的箱子、管子或者绝缘层中，这样的防

护措施有以下几个目的：放置根管暴露于空气中抑制根系生长，降低土壤温度，防止水分在管壁冷凝等

等。此外，保证根管底部是允许水分通过的，避免水分堆积对根系生长的影响。植物可以种植在温室、

培养室或者环境接近于田间的室外。



图 1 适用于玉米幼苗的直径分别为 5、8、10cm

的根管。

图 2 单独遮阴管，管子高于根管以保证完全避

光，同时保证通风以更好绝缘和降温。

玉米测定

本试验中，采用了几种不同直径的根管和几个玉米栽培种。直径为 5cm 的

根管远远不能满足玉米的需要，采用 8cm 根管直到玉米开花期，到达玉米穗

发育时期则采用 10cm 根管。根管尽可能保持垂直，避免过多的侧根贴近根

管壁。我们可以在不同时期或者对不同品种进行成像，比较其根系生长发育

变化，以下是被测试的几个玉米品种：

Bangui（欧洲高产栽培种）；

Sweet Corn（园艺品种）；

Prelude（欧洲高产品种）；

Gaspe Flint（加拿大相当小的品种）。

土壤施以铁肥和传统的氮磷钾缓释肥料。图 1 10cm 根管的玉米。

静态图像

为了降低光反射的影响，选择多云天气对被测玉米植株进行成像。图像分辨率在 15-40pixels/cm 或

者 0.25-0.6mm/pixel。此外，LemnaTec 还能够提供更高分辨率的图像（0.01mm/pixel），用来研究更小的

根系。为了获得每个根管高分辨率的复合图像，图像采集过程中会自动转移根管的位置，然后通过专业

的分析软件对获取的图像进行合成，使用户可以看到整个根管的根系生长情况。采用相同的位移技术，

也可以相应的对植物地上部进行成像，同时分析地上部和地下部的相互关系。由于成像过程在 LemnaTec

3D 传送带上完成，因此我们可以获得大量的数据，如果仅仅需要满足中等通量大小的测定，那么

LemnaTec Scanalyzer 系统的手动加载也是可以实现的。

由于根系在根管表面的生长是不均匀的，因此每一根根管都要旋转 4 次（每 90°一次）进行四个侧

面的成像，才能获得整个根管表面的根系图像。为了更好的跟踪根系的局部变化，根管可以设计为只在

某一特定位置刚好与支架契合，因此成像延迟时间是非常接近的。下图示出了一根根管的四重图像：



由于根系密度和发育状况在很大程度上依赖于深度，因此 LemnaTec 软件提供了虚拟的分隔区，如下图

所示：

图 4 根管的 4 个不同侧面，原始图像和分析后

的图像。

图 5 根管 4 个侧面的根系面积分布，外加平均值。

图 6 三个不同的玉米栽培种显示出三种不同的根系生长模式

从上图可以看出，不同的的玉米品种，其根系生长密度、颜色和宽度明显不同。将这些特征进行量化，

则可以获得不同玉米栽培种根系架构的比较图（见图 7）。然而，我们要记住利用 LemnaTec 测定这些数

据只是对不同处理和品种之间潜在影响差异的定量，这些差异还可能来自于以下影响因子：

品种；

灌溉策略/干旱模拟；

土壤类型、土层和土壤密度；

光照策略；



营养盐供给策略，如不同土层间磷酸盐和硝酸盐使用量不同；

土壤真菌对营养摄取的影响；

生物体类型和数量的影响，如线虫、甲壳虫、昆虫等（玉米根虫）。

图 7 相同发育时期后，三个不同的玉米栽培种的根系密度与深度关系图像

动态图像

当研究不同时间分辨率下根系动态变化时，无损伤的定量图像分析则显得更加重要。由于该方法对

根系没有任何损伤，因此可以根据需要广泛的使用该方法研究植物根系变化。更重要的是：重复测定可

以考虑到任意时间间隔内的起始值和终点值，定性描述任何根系作用效果（包括相对于对照平均值的变

化，或者同一株的相对变化），这使得根系相对生长速率的计算成为可能，即使在植株大小不一致的情

况下（发芽时间不同引起的）。

植物生长几周之后，当植株大小和根系发展到一定阶段的时候，对植株进行干旱、营养、害虫等处

理，利用 LemnaTec 系统对根系进行动态成像，可以观察不同处理因素随着时间对植物根系的影响。由

于出苗时间的略微不同，导致植株生长条件和指数生长速率发生较小变化。使用生长率这类参数（不依

赖于植株绝对体积的大小），为不同重复间的平均化提供基础，尤其是当根系遭到根虫破坏时，这种计

算方法显得尤为重要。下图显示了一个单株根系发育的时间变化：



上图清楚的显示了不同阶段根系的生长发育变化，经过专业的图像处理，根系

可以从原始图像中分离出来，这样还可以对根系密度之外其它指标进行分析。

通过观察根系发育随时间的变化图，我们可以明确两点：第一，根系不可能覆

盖所有的根管表面，而且越低的地方，根系越稀疏，因此，10cm 的根管对植物

生长来说是合理的；第二，第 35 天和第 60 天之间，根管下部的植物根系明显

减少，这是由于过度浇水，导致大量根系死亡，只留下了黑色死亡的根系。对

第 35 天的图像进行颜色分类，我们发现了大量死亡的黑根（如图 10），第 60

天之后，我们发现非常少量的根系再次生长到根管底部。这个实例显示如何通

过图像分析量化根系生长动力学变化的过程。

除了上述的根系面积和颜色之外，软件还可以根系其它的参数，如根系长

度、直径分布等等。利用直方图对根系宽度进行定量，可以采用数学分析方法

分析更小的差异。

图 9 不同时间点根系密度和深度关系图。图 8 不同时间点的根系剖面图。

图 10 颜色根系区分活

根（蓝色）和死根（红

根系效率的近红外分析

上面谈到的测量系统还可以用于其它研究，而并不单单用于根系的可视化定量分析。介绍中已经说

过，根系骨架的研究可以被看作是了解根系吸收水分和营养盐的模型，而问题在于一些与根系功能相关

的关键因素（如根毛和真菌共生体）并没有在成像过程中直接显示出来。为了克服这个问题，LemnaTec

近红外方法专门观察植物生长过程中根管的水分分布变化。

通过使用特殊设计的近红外成像单元和摄像头，便可以被监测土壤相对含水量的变化。为了对数值

进行矫正，100%含水的土柱和干土柱必须平行测定。当植物需要大量水的时候，水分通过土柱的扩散速

度比植物从土壤中吸水的速度慢，由于土柱的高度大于宽度，可以认为某一特定深度土壤含水量的改变

更依赖于植物根系的吸收，而不是土壤水分入渗。如果白天连续成像，当大部分水被耗尽，晚上浇水，

考虑到晚上相同的水分扩撒速率，此时则证明上述观点更加正确。特定的土壤表层和封闭的根管底部，



几乎可以忽略蒸发损失。

根系会减少某一特定土层的水分含量，这种分析提供了水分提取率的数据信息，很大程度上取决于

根系密度数据。这种方法最大的一个好处在于把我们无法看到的根系效率进行定量分析。反之，最大化

降低根管壁上的根系是必要的，因为它们遮挡了土壤后面的视野，这可以通过选择合适尺寸的根管加以

解决。

图 11 一个根管中的玉米近红外成像。原始图像（左）；土壤水分分布的颜色分类图像，其中蓝色表示较高的水分含量，

红色表示较低的水分含量（中间）；随着时间变化，不同水分含量面积变化（右）。

图 12 0h 和 8h 时，土壤湿度分布变化与土层深度关系，其中蓝色表示高水分含量，红色表示低水分含量。

结论

LemnaTec 根柱系统通过透明的土柱培养植物，可以高通量同时测定植物地上部和地下部的生长数

据，综合分析植物生长发育变化。由于成像过程在 LemnaTec 传送系统上进行，因此可以获得大量的数

据信息，如果仅仅需要满足中等通量大小的测定，那么 LemnaTec Scanalyzer 系统的手动加载也是可以实

现的。该套系统可以配置可见光成像模块，同时也可以配置根系近红外成像模块。对大量的植物生长数

据进行综合分析，可以获得更为可靠的实验结果，对于研究植物与害虫之间的相互作用，植物对逆境胁




迫（如土壤真菌、营养、不同土层等等）的响应具有重要价值。

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