無損觀測植物根系微細結構的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及無損觀測植物根系微細結構的裝置，及其在根系的細微結構如根毛、菌根的無損觀測方法，屬于植物根系無損觀測技術領域。
【背景技術】
[0002]目前，根系觀測的主要方法為完全剖挖法，即挖取出根系，并利用相關設備對根系進行觀測，這種完全剖挖的方法對根系的破壞性較大，且很難實現根系生命周期的連續觀測。根系的原位無損觀測方法主要有微根管法，探地雷達無損探測法、X射線掃描法，但該類方法的成像分辨率較差(厘米或毫米級)，只能觀測到細根層次，而無法觀測到亞毫米級別的根毛，菌根等。由于根毛、菌根對于植物的水分與營養物質的吸收，植物的生長發育等方面都有重要影響，因此無損觀測植物根系的微觀結構是十分必要的。而目前，并未有可實現原位、無損、方便快捷的觀測菌根、根毛的方法。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是針對現有觀測技術和觀測手段存在的問題，提供一種可以實現對根系的微細結構如菌根、根毛進行原位無損觀測的裝置與方法。本裝置可以實現對植物根系的微細結構進行觀測，并可以記錄根系中的根毛、菌根等信息。
[0004]本發明所述的無損觀測植物根系微細結構的裝置，主要包括:系統控制與數據處理器1、圖像采集系統2、高精度垂直電控升降臺3、高精度電控旋轉臺4和植物生長裝置5 ;所述圖像采集系統包括支架21、滑動裝置22、光路放大系統23和圖像采集器A 24，其中光路放大系統23通過滑動裝置22與支架21相連接，可發生相對移動，圖像采集器A 24與光路放大系統23通過通用接口連接，放置于其后端；所述系統控制與數據處理器I分別圖像采集器A、高精度垂直電控升降臺、高精度電控旋轉臺通過線路連接；高精度電控旋轉臺4放置于高精度垂直電控升降臺3上，并用緊固件將兩者接觸面緊固，防止高精度電控旋轉臺4和高精度垂直電控升降臺3發生相對運動；植物生長裝置5放于高精度電控旋轉臺4上，所述植物生長裝置5包括無頂無底的透明圓柱體容器、底端器皿52和兩個有缺口的金屬圈54，所述透明圓柱體容器由2個或2個以上組件51構成，每個組件包括一個弧形擋壁511和兩個擋板512，兩個有缺口的金屬圈上下交錯放置于圓柱體容器外壁，緊固整個圓柱體容器，所述有缺口的金屬圈缺口弧形長度大于等于一個組件弧形擋壁的弧形長度，透明圓柱體容器放置于底端器皿52中，所述透明圓柱體容器外壁與底端器皿內壁無縫重合，所述底端器皿中心處有一個凹點53，高精度電控旋轉臺4中心有一個凸起，與所述凹點53相配合，以使得植物生長裝置5軸心與高精度電控旋轉臺的軸心重合，防止植物生長裝置5在旋轉過程中，因離心力而發生位置偏移。
[0005]進一步地，所述無損觀測植物根系微細結構的裝置還包括圖像采集器B 25，圖像采集器B 25與光路放大系統通過通用接口固定連接，放置于光路放大系統前端，圖像采集器B 25還與系統控制與數據處理器I通過線路連接。
[0006]進一步地，所述無損觀測植物根系微細結構的裝置還包括控制光源26和光纖傳光束27，系統控制與數據處理器I還與控制光源26通過線路連接，光纖傳光束連接在控制光源上。當根系成像光條件不足時，可開啟控制光源26，確保圖像采集亮度和清晰度。
[0007]植物生長裝置由透明材料制成，可以為玻璃、塑料等透明材料制成的裝置，所述植物生長裝置底端可套防水袋，防止水分流失。
[0008]所述透明圓柱體容器的每個組件中可放置相同性質的土壤或分別放置不同性質的土壤，如肥沃土壤、貧瘠的土壤等，放置不同性質土壤的，可用來觀察同一棵植物在含有不同性質土壤的組件中的根系生長情況。
[0009]一種采用上述無損觀測植物根系微細結構的裝置進行植物根系無損觀測的方法，將高精度電控旋轉臺4放置于高精度垂直電控升降臺3上，并用緊固件將兩者接觸面緊固，植物生長裝置5放于高精度電控旋轉臺4上，植物生長裝置的圓心處凹點與高精度電控旋轉臺旋轉中心凸起的點重合，進行全局掃描，步驟如下:系統控制與數據處理器I控制高精度垂直電控升降臺3，將植物生長裝置5底部的根系升降至圖像采集器A24可采集到的位置，在高精度垂直電控升降臺3進行下一次下降時，高精度電控旋轉臺4將旋轉一周，其旋轉速度要慢于圖像采集器A 24的采集頻率，且高精度電控旋轉臺每次旋轉角度的弧度長度小于圖像采集器A 24可以采集的圖像寬度，當采集完成一周后，再控制高精度垂直電控升降臺3進行下降，下降高度小于圖像采集器A 24可采集到的實際高度，再控制圖像采集器A 24采集一周，直至完成根系全局掃描。這樣以免在根系圖像采集過程中出現某些區域未采集到圖像的情況。對植物根系微細結構進行全局掃描時，既可以按上述方法從下到上掃描，也可以從上到下進行掃描。
[0010]一種采用無損觀測植物根系微細結構的裝置進行植物根系無損觀測的方法，將高精度電控旋轉臺4放置于高精度垂直電控升降臺3上，并用緊固件將兩者接觸面緊固，植物生長裝置5放于高精度電控旋轉臺4上，植物生長裝置的圓心處凹點與高精度電控旋轉臺旋轉中心凸起的點重合，進行根系區域精確掃描，步驟如下:首先通過圖像采集器B 25獲取待掃描根系的圖像，采集到的待掃描根系圖像位于圖像采集器B 25拍攝圖像的中心位置；系統控制與數據處理器I控制高精度電控旋轉臺4與高精度垂直電控升降臺3協同運動，使待掃描根系進入圖像采集器A24的采集范圍內；調整光路放大系統與觀測根系的距離，使得裝置能夠獲取清晰的微觀根系圖像，圖像采集器A 24采集到經過光路放大系統23放大之后的菌根與根毛等顯微結構的清晰圖像，其采集頻率高于協同運動的運動頻率，這樣使得觀測區域不發生圖像漏采區域現象，圖像采集器A 24按照根系的位置與走向采集待掃描根系微細結構圖像。該種方式是按照根系的位置與走向來精確的自動調節旋轉臺與升降臺的運動。
[0011]圖像采集器A通過光路放大系統獲得的圖像最為清晰。光路放大系統可以通過調節不同的物鏡與目鏡實現不同的放大倍數。
[0012]當需提高顯微圖像采集清晰度時，可將植物生長裝置的弧形擋壁卸下，具體方法如下:
[0013]旋轉植物生長裝置上的兩個金屬圈至缺口的位置在垂直方向重合，同時使得需觀察部位的擋壁落入金屬圈缺口范圍內，取下弧形擋壁；調整光路放大系統和觀測區域的位置進行全局掃描或根系區域精確掃描。
[0014]相對于現有技術，本發明提供了一種植物生長裝置，實現了無損觀測根系的相關信息。該裝置對同一植物的根系在不同養分水分條件下的根系生長發育的無損觀測提供了新方法。同時本裝置利用系統控制與數據處理器I可以實現根系圖像數據的自動化的記錄。本裝置利用控制光源和光路放大系統，可以實現根系微觀尺度信息的獲取，如根系菌根、根毛的無損觀測。本發明將對根系的原位無損觀測推廣到微觀尺度，這對于植物根系的生長發育、菌根與根毛在植物生長發育中的作用、植物根系構型、根系與土壤關系等方面都具有較好的使用價值。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明的裝置示意圖；
[0016]圖2是植物生長裝置示意圖；
[0017]圖3是根系區域精確掃描控制流程圖。
[0018]其中的附圖標識為:
[0019]1、系統控制與數據處理器；2、圖像采集系統；3、高精度垂直電控升降臺；4、高精度電控旋轉臺；5、植物生長裝置；6、待測植物；21、支架；22、滑動裝置；23、光路放大系統；24、圖像采集器A ;25、圖像采集器B ;26、控制光源；27、光纖傳光束；51、組件；52、底端器皿；53、凹點；54、有缺口的金屬圈；511、弧形擋壁；512、擋板。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖，對本發明的【具體實施方式】進行詳細說明。
[0021]實施例1
[0022]圖1是本發明裝置的示意圖。本發明裝置主要包括系統控制與數據處理器1、圖像采集系統2、高精度垂直電控升降臺3、高精度電控旋轉臺4和植物生長裝置5 ;所述圖像采集系統2包括支架21、滑動裝置22、光路放大系統23、圖像采集器A 24、圖像采集器B 25、控制光源26和光纖傳光束27，其中光路放大系統23通過滑動裝置22與支架21相連接，可發生相對移動，圖像采集器B 25與光路放大系統通過通用接口固定連接，放置于光路放大系統前端，圖像采集器A24與光路放大系統通過通用接口連接，放置于其后端；所述系統控制與數據處理器分別與圖像采集器A、圖像采集器B、控制光源、高精度垂直電控升降臺、高精度電控旋轉臺通過線路連接；
[0023]如圖2所示，植物生長裝置5包括無頂無底的透明圓柱體容器、底端器皿52和兩個有缺口的金屬圈54，透明圓柱體容器由6個相同組件51組成，每個組件包括一個弧形擋壁511和兩個擋板512;將組件組合形成無頂無底的透明圓柱體容器，兩個有缺口的金屬圈54上下交錯放置于圓柱體容器外壁，實現組件的緊固，金屬圈缺口弧形長度均大于等于一個組件弧形擋壁的弧形長度，將透明圓柱體容器放置在一個淺口的底端器皿52中，透明圓柱體容器外壁與底端器皿的內壁可以實現無縫重合，從而防止土壤從組件的下端流失，底端器皿中心處有一個凹點53，高精度電控旋轉臺4中心有一個凸起，與所述凹點53相配合；
[0024]高精度電控旋轉臺4放置于高精度垂直電控升降臺3上，兩者接觸面通過螺絲緊固，植物生長裝置5放于高精度電控旋轉臺4上，植物生長裝置的圓心處凹點與高精度電控旋轉臺旋轉中心凸起的點重合。
[0025]還可以從底端器皿下方向上套一個可伸縮的袋子，進一步防止水分流失。
[0026]每個組件中放置土壤，以供植物生長。可以選擇在每個組件中放置相同土壤，用來觀察同一棵植物在土壤中的根系生長情況；也可以選擇在各個組件中放置不同的土壤，用來觀察同一棵植物在不同的土壤下的根系生長情況。