X-ray CT和MRI做不到的四件事：AZR-300根系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如何補(bǔ)齊田間根系監(jiān)測(cè)的“最后一公里”？

——從一篇2026年《Plant Biology Journal》綜述看根系研究的方法論升級(jí)

根系是植物獲取水分與養(yǎng)分、抵御干旱與鹽堿脅迫的核心器官，也是決定作物產(chǎn)量與氣候適應(yīng)性的“隱藏性狀”。然而，根系生長(zhǎng)在地下土壤中，表型分析極其困難，長(zhǎng)期以來(lái)受困于“看不見、測(cè)不準(zhǔn)、難連續(xù)”的方法瓶頸。2026年5月，Im等人在《Journal of Experimental Botany》上發(fā)表了題為《Advances in root phenotyping: high-throughput imaging, computational tools and integrative approaches for crop improvement》的綜述文章，系統(tǒng)梳理了根系表型組學(xué)的最新進(jìn)展與未來(lái)方向。今天，我們就以這篇綜述為切入點(diǎn)，看看北京澳作自主研發(fā)的AZR-300復(fù)合根系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如何為根系研究帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的方法論突破。

根系表型正從“實(shí)驗(yàn)室”走向“田間”，高通量成像成關(guān)鍵突破口

Im等人的綜述開篇即指出，氣候變化正通過(guò)加劇非生物脅迫和破壞作物生產(chǎn)力，日益威脅全球農(nóng)業(yè)。要應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，必須深入理解根系介導(dǎo)的資源獲取和脅迫適應(yīng)性狀。

綜述重點(diǎn)討論了三大方法論方向：

高通量表型分析（HTP）：實(shí)現(xiàn)高分辨率、可擴(kuò)展的復(fù)雜根系性狀表征，支持跨基因型、跨環(huán)境的穩(wěn)健比較分析；

多模態(tài)成像技術(shù)：特別是X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）、磁共振成像（MRI）以及集成機(jī)器學(xué)習(xí)算法的根際箱（rhizotron）系統(tǒng)，可在受控和半田間條件下實(shí)現(xiàn)根系構(gòu)型及其時(shí)間動(dòng)態(tài)的精細(xì)重建；

整株整合框架：將器官特異性評(píng)估與生理表型組學(xué)（光譜和熱數(shù)據(jù)）相結(jié)合，表征發(fā)育可塑性和根系介導(dǎo)的過(guò)程，包括水分動(dòng)態(tài)、養(yǎng)分獲取以及田間脅迫下的冠層響應(yīng)。

綜述最后指出，盡管取得了這些進(jìn)展，數(shù)據(jù)互操作性、分析可擴(kuò)展性和方案標(biāo)準(zhǔn)化方面仍存在顯著瓶頸。未來(lái)進(jìn)展需要將根系表型組學(xué)與基因組學(xué)、預(yù)測(cè)模型和數(shù)字孿生框架相整合

然而，綜述也暗示了一個(gè)現(xiàn)實(shí)困境：X-ray CT、MRI等先進(jìn)成像手段雖然功能強(qiáng)大，但設(shè)備昂貴、通量低、操作復(fù)雜，難以在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室和田間研究中普及。人工生長(zhǎng)系統(tǒng)（如瓊脂、濾紙或水培）雖然便于成像，但只能用于早期生長(zhǎng)階段，且觀察到的性狀往往與土壤中的實(shí)際情況不符。土壤取芯法雖常用于田間根系表型分析，但需要洗根，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且在黏土（如水稻田）中洗根尤為困難。這就引出了一個(gè)問(wèn)題——有沒(méi)有一款設(shè)備，既能提供高分辨率、多模態(tài)的原位成像能力，又能兼顧成本、通量和操作便捷性，真正補(bǔ)齊從實(shí)驗(yàn)室到田間的“最后一公里”？

AZR-300帶來(lái)的四大研究突破

突破一：從“人工基質(zhì)”到“真實(shí)土壤”——讓表型數(shù)據(jù)更貼近田間實(shí)際

綜述明確指出，在瓊脂、濾紙或水培等人工系統(tǒng)中觀察到的根系性狀，往往因土壤的復(fù)雜性（包括壓實(shí)、水分和養(yǎng)分的不均勻分布以及微生物群落）而與土壤中的實(shí)際情況不符。AZR-300基于微根窗技術(shù)，直接在真實(shí)土壤中原位觀測(cè)根系，既保留了土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)復(fù)雜性，又實(shí)現(xiàn)了無(wú)損、連續(xù)的監(jiān)測(cè)——讓表型數(shù)據(jù)真正“接地氣”。

突破二：從“終點(diǎn)快照”到“全過(guò)程動(dòng)態(tài)追蹤”

土壤取芯法雖然常用于田間根系表型分析，但只能獲得某一時(shí)間點(diǎn)的“快照”，且洗根過(guò)程勞動(dòng)強(qiáng)度大，在黏土中尤為困難。AZR-300可在不破壞植株的前提下，對(duì)同一根系進(jìn)行連續(xù)、定位、重復(fù)觀測(cè)。這意味著研究者可以真正獲得根系生長(zhǎng)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，計(jì)算細(xì)根壽命和周轉(zhuǎn)率——而這正是綜述所強(qiáng)調(diào)的“根系構(gòu)型及其時(shí)間動(dòng)態(tài)”研究的核心需求。

突破三：從“單一視角”到“多尺度、多模態(tài)成像”

綜述指出，多模態(tài)成像（X-ray CT、MRI、根際箱）是實(shí)現(xiàn)根系構(gòu)型精細(xì)重建的關(guān)鍵。AZR-300的攝像+掃描雙模式一體化設(shè)計(jì)，恰好提供了更具性價(jià)比的多模態(tài)方案：

攝像模式：觀察根毛、菌根和土壤動(dòng)物等微區(qū)細(xì)節(jié)；

掃描模式：快速獲取大尺寸根系圖像，適合研究根系生態(tài)和生物量。

兩種模式可在微根窗管中任意切換，一臺(tái)設(shè)備同時(shí)滿足宏觀與微觀研究需求。

突破四：從“形態(tài)描述”到“功能解析”——讓結(jié)構(gòu)表型與功能表型合二為一

綜述強(qiáng)調(diào)，根系表型正越來(lái)越多地被置于整株整合框架中解讀，需要將器官特異性評(píng)估與生理表型組學(xué)相結(jié)合。AZR-300的三大光源系統(tǒng)讓功能解析成為可能：

紫外光：區(qū)分活根與死根，準(zhǔn)確計(jì)算根系動(dòng)態(tài)和周轉(zhuǎn)率；

熒光光源：監(jiān)測(cè)RFP、YFP、BFP、GFP等多種熒光蛋白標(biāo)記，可追蹤特定基因表達(dá)、蛋白定位和細(xì)胞活動(dòng)；

白光：常規(guī)形態(tài)觀測(cè)。

這意味著研究者不僅可以“看到”根系長(zhǎng)什么樣，還能“看到”根系在“做什么”——將結(jié)構(gòu)表型與功能表型合二為一，真正實(shí)現(xiàn)綜述所呼吁的“整株整合框架”。