根系结构（RSA）在植物的适应性和抗逆性中起着至关重要的作用。它直接影响植物在资源受限条件下的表现，尤其是在干旱等逆境条件下，根系的空间分布和动态变化对于植物的水分和养分获取至关重要。对于木本多年生植物，如葡萄等，在气候变化的背景下，优化根系结构以提升其水分获取能力，是农业可持续发展的关键方向之一。然而，传统的根系结构分析方法存在一定的局限性，尤其是对于木本植物，在田间自然生长环境下的根系分析较为困难。目前，大多数RSA研究依赖于根箱（rhizotron）或盆栽实验，这些方法往往不能真实反映田间生长条件下的根系发展。因此，如何结合田间实验与高效的技术手段，进行准确的根系表征，并将这些数据转化为可用于建模和模拟的标准化格式，成为当前RSA研究的一个重要挑战。

2024年12月，Plant Phenomics 在线发表了德国Hochschule Geisenheim University题为A Field-to-Parameter Pipeline for Analyzing and Simulating Root System Architecture of Woody Perennials: Application to Grapevine Rootstocks 的研究论文。

该研究提出了一个用于分析多年生木本植物RSA的田间-参数方法，特别关注葡萄砧木基因型（图1）。这种方法结合了野外开挖和原位三维（3D）数字化，能够在保留自然根-土界面的同时对整个根系进行全面分析。所提出方法的一个核心要素是将RSA数据转换为可互操作的格式，特别是使用根系标记语言（RSML），这有助于无缝集成到根系建模平台，在此背景下，利用全植物建模框架CPlant Box来解释和模拟根系生长的复杂动态。该方法不仅有助于详细的根系表型分析和根系生长模型参数的估计，而且为未来以提高水分吸收效率为重点的理念奠定了基础，而水分吸收效率是植物应对气候变化的关键因素。

研究表明，根瘤中的中央感染区（CIZ）是固氮细菌集中的区域，负责氮气的转化，而维管束（VBs）则负责将水分、养分及固氮产物输送到植物体内。通过半自动分割算法，研究团队生成了大豆根瘤内部结构的三维模型，并对这些结构的体积进行了精确的定量分析。

图1 通过田间实验、根系挖掘和原位三维数字化对RSA数据获取的过程进行了示意图表示，然后介绍了在CPlantBox中进行参数估计的数据转换步骤。该流程图还描述了为测试技术准确性、评估原位数字化的必要性和估计挖掘过程中潜在的细根损失而采取的方法学验证步骤。箭头表示数据和分析的流程，强调RSA数据与表型和模拟输出的集成。

图2 基坑开挖后原状土位置根系原位三维数字化技术装置及数字化协议。（A）技术场设置，主单元连接笔记本电脑，电磁发射器位于土壤表面上方60cm处，详细说明用指针记录根系坐标的配置。（B）数字化过程的放大视图，展示了对数字化点的唯一ID的系统分配，包括在分支节点处的双点，以保持根的拓扑结构的完整性。

图3 葡萄RSA模拟方法的示意图表示。初始静态根系来源于数字化的RSA数据，包括茎（类型0）和1年生不定根（类型1）。由模拟的RSA构件组成的新生根系包括一级侧枝（类型2）和二级侧枝（类型3）。

本文的创新点在于提出了一种集成的“从田间到参数”方法，结合了田间挖掘、原位三维数字化技术和数据标准化处理，能够精准捕捉木本植物根系的空间结构并保持其自然状态。此外，研究改进了CPlantBox建模框架，增加了静态根系初始化和概率性向性函数，更好地模拟根系生长动态。通过结合根系的水力特性分析，引入标准吸收分数（SUF），为不同基因型根系的水分获取能力提供了量化评价，推动了植物根系适应性研究与气候变化应对策略的发展。

论文链接：

‍https://doi.org/10.3413‍3/plantphenomic‍s.0280

——推荐阅读——

Segment Anything for Comprehensive Analysis of Grapevine Cluster Architecture and Berry Properties

https://doi.org/10.34133/plantphenomics.0202‍

Plant Phenomics | SAM在葡萄簇结构与果实特性综合分析中的应用

Phenotyping Alfalfa (Medicago sativa L.) Root Structure Architecture via Integrating Confident Machine Learning with ResNet-18

https://doi.org/10.34133/plantphenomics.0251

Plant Phenomics | AI助力苜蓿根系表型研究，ResNet-18技术精准解析植物结构