分析測試百科網 > 行業資訊 > 其它新聞

他用這項技術，打開植物根系“黑匣子”

2024.6.07

在廣闊且隱秘的地下空間，不斷擴張、盤繞和交錯的植物根系構成了世界上最復雜的界面之一。而在離根軸表面數毫米的范圍之內，又“縈繞”著數萬種微生物和各類代謝物。土壤、根系、微生物之間相互作用，組成了難以用肉眼察覺的微觀世界。

“這樣的區域，我們稱為根際。”中國科學院成都生物研究所（以下簡稱成都生物所）高級工程師蔣海波又將其稱作“黑匣子”，因為它們深埋暗地，變化多端，讓人看不清、摸不透。

為了幫助科研人員打開這個“黑匣子”，蔣海波系統開展了根系表型無損觀測技術研發，以此實現了對植物根系的“高清”成像，以及對根際微生物、分泌物等復雜因子的無損監測，為農業育種、植物學、生態學研究提供了全新的技術裝備。

憑借其在科研裝備研發方面的貢獻，日前，蔣海波榮獲第五屆中國科學院“科苑名匠”稱號。

蔣海波（右）在使用根際全生命周期無損采樣裝置。成都生物所供圖

兒時興趣化為對事業的使命感

2011年，正在電子科技大學攻讀博士學位的蔣海波，收到了某頭部通信科技公司的錄取通知書。然而，面對高薪又光鮮的職位，他卻放棄了。

兩年后，從計算機軟件與理論專業畢業的他，成為成都生物所一名工程師。“對于我來說，這個機會更難得。”蔣海波說，“在這里，我可以針對探索性科學研究、個性化新裝備需求，去研發‘專精特新’的裝備。”

10年過去了，在鐘愛的領域堅守的他，設計和研發出植物根系全生命周期無損觀測技術、高通量多尺度體表微觀自動成像系統、飛鳥捕食模擬系統，以及動物咬力測量系統等，精準滿足了植物表型組學、動物行為學等研究領域對特殊性新裝備的需求。

在整個研發過程中，蔣海波的探索欲和創造力不斷被激發。

在接受《中國科學報》采訪時，蔣海波回憶起高中時代曾在山東省臨沂市舉辦的青少年發明大賽中斬獲獎項。那場比賽他不僅獲得了證書和現金獎勵，還得到一套與思維創新有關的書籍。“對我來說，這不僅是個鼓勵，更是激發我興趣的起點。”?

如今，蔣海波將興趣轉化為一種使命。“做基礎科學研究，一定要注重相關設備的研發。如果一味從國外買現成的儀器，就是在壓縮我們做原始創新工作可能性的空間。”蔣海波認為，一流的科研工作一定要有一流且自主創新的技術裝備作支撐。

“這條創新之路，要秉持一種更為開放和融合的視角。”蔣海波說，盡管研究所的工作主要聚焦農業和生態方面，但過程中涵蓋了生物學、物理學、計算機科學和工程學等多個領域的內容。“所以要重視學科交叉，加強不同領域的合作，才能解決更為復雜的科學問題。”

給植物根系做高清“CT”

“合成渦旋場高分辨成像技術”的研發，就是一次跨學科合作的成果。

在臨床醫學中，可以通過X光、計算機斷層掃描（CT）、磁共振成像（MRI）、超聲、核醫學成像等各種成像技術，觀察人體內部的結構和功能。

理論上講，上述成像技術也可應用于探察植物根系。但目前相關設備太大，對實驗條件要求苛刻，并不適用于野外調查。“況且其背后的技術專利已被國外壟斷，我們必須走一條自主研發的技術路線。”蔣海波說。

2019年，蔣海波承擔了中國科學院先導專項A“種子精準設計與創造”顛覆性前沿技術探索子課題，面向農業育種國家重大戰略需求，對植物根系的形態觀測和根際界面全要素解析進行技術研發。

他與電子科技大學從事微波器件和微波理論研究的宮玉彬教授團隊合作，不僅在渦旋場成像方面實現了突破，還在利用合成渦旋場技術上實現了多個創新。

渦旋場成像就是，當發射源向目標物發射電磁波時，會形成“甜甜圈”一樣的渦旋場。

“單位周期內發射的‘圈’越多，兩個‘圈’之間的距離越短，反射回的信息成像分辨率就越高，探測也就越精準。”蔣海波介紹，想要“圈”多，就要提高渦旋電磁波模式數。傳統方式是增加發射源，即天線個數，但大量擴充天線陣列不太實際，成本太高。

“要是用‘虛擬合成’的方式呢？”蔣海波靈光乍現，“就像當許多利箭迎面射來，而我手中只有一面盾牌時，我是不是要不斷移動盾牌以此擋住更多來箭？”

他琢磨，盡管發射端只能安裝一定數量的天線，但可以按照一定周期和角度，通過旋轉天線陣列并按照一定調控規律同時發射電磁波，從而提高模式數。

在與宮玉彬團隊的合作下，他們很快搭建原理樣機驗證了這一想法。由此，團隊開發出擁有完全自主可控專利的合成渦旋場高分辨成像技術，并完成了多種場景下便攜式原型樣機的開發，實現對多類毫米級埋藏目標的無損探測。目前，該技術不僅應用于根系和根際研究中，還為乳腺癌的早期篩查提供了新的技術解決路線。

少一分急功近利，多一分精益求精

如果說“合成渦旋場高分辨成像技術”是協助科研人員把根系形態“看清楚”，那么“植物根系全生命周期無損測量技術”的研發，就是解決了根際微生物、分泌物等復雜因子的取樣和監測問題。

“我們要研究根系分泌物，不太可能用肉眼看。一種辦法就是將根系挖出，進行浸泡、提取，再利用測試儀器進行分析。”蔣海波說，但這樣操作使根系無法復原，且不方便實現根系全生命周期的監測。

如何長時間對根系物質變化過程進行無損取樣，是蔣海波考慮的核心問題。

為此，基于根系生長和分布規律的統計數據，蔣海波設計了一種埋于地下的根系引導裝置，不僅保證根系能在其間順利生長，還能方便研究人員隨時進行樣品的提取。

裝置根管的走線如何布局、形成的每一個弧度有多大……蔣海波都進行了精密的計算。在根管下方的槽口，他還巧妙地安設了一個氣囊。“平時氣囊處于干癟狀態，讓槽口開放，使根系能夠和外界進行物質能量交換。如果要注入浸提劑等溶液對根際進行取樣，便給氣囊充氣，堵住槽口，方便物質的提取。”

2015年，該裝置相應功能開發完成不久，一家企業就對此裝置表現出轉化意向，但被蔣海波拒絕了。“我認為當時的裝置只能實現基本功能，如果要進行應用，還要花費時間調整參數。”他不愿急功近利，只想更加精細地“雕琢”，使裝備在使用過程中更方便。

經過完善后，該技術已順利實現轉化應用。例如，在自然界碳匯研究領域，該技術能幫助科研人員進一步了解微生物在根系生長過程中的變化和作用，為分析植物根系對土壤固碳能力的影響提供數據支撐。

比起物質上的回報，研發成果能真正解決實際問題，更讓蔣海波感到欣慰。“成果得以應用并不意味著就到達了終點，還有很多問題需要我繼續總結和探索。”

植物根蔣海波

中國科學報

喜歡作者我要約稿

他用這項技術，打開植物根系“黑匣子”

Chloe

南州

楊瑩

楓

Liberty

喜歡作者

打賞方式

他用這項技術，打開植物根系“黑匣子”

Chloe

南州

楊瑩

楓

Liberty