植物的枝条获得了所有的荣耀，它们的果实和花朵以及可见的结构。但它是位于土壤下方的部分——分枝，到达根部和毛发的臂部，吸收水分和养分——引起植物生理学家和计算机科学家、乔治亚大学植物生物学副教授亚历山大·巴克施的兴趣。
根系的健康和生长对我们的未来有着深远的影响。
尽管气候不断变化，我们仍能种植足够的食物来养活人口，并从土壤中固定大气中的碳，这对我们和其他物种的生存至关重要。Bucksch 认为，解决方案在于根的品质。
“当世界出现问题时，人类可以移动。但植物会做什么?”他问。“它说，'让我们改变我们的基因组以生存。'它在进化。”
直到最近，农民和植物育种者还没有很好的方法来收集有关植物根系的信息，或者决定种植深根的最佳种子。
在本月发表在Plant Physiology 上的一篇论文中，Bucksch 及其同事介绍了 DIRT/3D(根特征数字成像)，这是一种基于图像的 3D 根表型分析平台，可以测量使用铲组学技术。
在他们的实验中，该系统可靠地计算了 12 个对比玉米基因型的所有性状，包括轮距和节根的数量、角度和直径，与手动测量的一致性为 84%。该研究得到了高级研究计划署能源 (ARPA-E) 的 ROOTS 计划和美国国家科学基金会 (NSF) 的 CAREER 奖的支持。
“这项技术将使分析和了解根在真实田间环境中的作用变得更加容易，因此将使培育未来作物以满足人类需求变得更加容易，”植物科学杰出教授兼合著者乔纳森林奇说。研究重点是了解植物适应干旱和低土壤肥力的基础。
DIRT/3D 使用电动相机设置，从每个角度为每个根拍摄 2,000 张图像。它使用由 10 台 Raspberry Pi 微型计算机组成的集群来同步来自 10 个摄像头的图像捕获，然后将数据传输到 CyVerse 数据存储(面向学术研究人员的国家网络基础设施)进行 3D 重建。
该系统生成一个 3D 点云，代表每个根节点和螺纹——根据 Bucksch 的说法，“根系统的数字孪生”可以被研究、存储和比较。
数据收集只需几分钟，这与 MRI 或 X 光机相当。但该钻机的建造成本仅为几千美元，而不是 50 万美元，这使得该技术可扩展以对数千个样本进行高通量测量，这是为农民开发新作物植物所必需的。然而，3D 扫描仪也使基础科学成为可能，并解决了由于植物生物学中的样本限制而导致的预选偏差问题。
“生物学家主要研究一种最常见的根结构——我们称之为显性根表型，”Bucksch 解释说。“但人们忘记了所有其他表型。它们可能有功能和作用。但我们只是称之为噪音，”巴克施说。“我们的系统将研究 3D 中的噪声，看看这些根可能具有什么功能。”
使用 DIRT/3D 对根进行成像的个人将很快能够将他们的数据上传到一项名为 PlantIT 的服务，该服务可以执行 Bucksch 及其合作者在他们最近的论文中描述的相同分析，提供有关年轻节点的广泛特征的信息根长与根系偏心率。这些数据让研究人员和育种者可以比较来自相同或不同种子的植物的根系。
该框架是通过幕后的大量数字处理能力实现的。这些由德克萨斯高级计算中心 (TACC) 提供，该中心从 CyVerse 网络基础设施接收大量数据用于计算。
尽管对根冠成像只需要五分钟，但创建点云和量化特征的数据处理需要几个小时，并且需要许多处理器并行计算。Bucksch 通过极限科学与工程发现环境 (XSEDE) 的分配，在 TACC 使用 NSF 资助的 Stampede2 超级计算机，以支持他的研究并为公共 DIRT/2D 和 DIRT/3D 服务器提供动力。
DIRT/3D 是该软件先前 2D 版本的演变，该软件可以仅使用手机摄像头获取有关树根的信息。自 2016 年推出以来，DIRT/2D 已被证明是该领域的有用工具。全世界有数百名植物科学家使用它，包括领先农业综合企业的研究人员。
该项目是 ARPA-E 的 ROOTS 计划的一部分，该计划致力于开发新技术，以增加植物土壤和根系内的碳储存。
“DIRT/3D 平台使研究人员能够识别作物中新的根系特征，并培育出具有更深、更广泛根系的植物，”ARPA-E ROOTS 项目主任 David Babson 博士说。“这类技术的开发将有助于促进气候变化减缓和恢复能力，同时也为农民提供降低成本和提高作物生产力的工具。我们很高兴看到 PSU 和 UGA 团队在此过程中取得的进展他们的奖项。”
该工具导致发现了几个负责根性状的基因。Bucksch 引用了最近对高粱中独脚金抗性的研究作为他希望 DIRT/3D 用户获得的结果。独脚金是一种寄生杂草，经常破坏非洲大片地区的高粱收成。
首席研究员、加州大学戴维斯分校的博士后 Dorota Kawa 发现，某些形式的高粱具有抗独脚金的根。她使用 DIRT/2D 从这些根中提取性状，然后将这些性状映射到基因上，这些基因调节根中化学物质的释放，从而触发植物中独脚金的萌发。
DIRT3D 提高了使用 DIRT/2D 完成的根特征的质量，并捕获了只有在 3D 扫描时才能访问的特征。
未来几年，农民面临的挑战预计会增加，因为更多的吃水、更高的温度、低土壤肥力以及需要以较少温室气体产生的方式种植粮食。适应这些未来条件的根将有助于缓解粮食供应压力。
“DIRT/3D 的潜力正在帮助我们生活在一个更热的星球上并设法获得足够的食物，”Bucksch 说。“那总是房间里的大象。这个星球可能会在某一时刻不再为每个人生产足够的食物，我希望我们作为一个科学界，可以通过开发更好地适应干旱和二氧化碳封存来避免这一点植物。”
