طريقة للحفاظ على جذور الأراضي الرطبة ورهيزوسفير للتصوير عنصري

الجذور وجذورها هي دينامية، غير متجانسة، وأهمية حاسمة لفهم كيفية حصول النباتات على المواد الغذائية المعدنية والملوثات^1،2،3. الجذور هي المسار الرئيسي الذي تنتقل به العناصر الغذائية (مثل الفوسفور) والملوثات (مثل الزرنيخ) من التربة إلى النباتات وبالتالي فهم هذه العملية له آثار على كمية الغذاء ونوعيته، وعمل النظام الإيكولوجي، والمعالجة النباتية. ومع ذلك، الجذور ديناميكية في المكان والزمان تنمو استجابة لاحتياجات اكتساب المغذيات وغالبا ما تختلف في وظيفة وقطرها وهيكل (على سبيل المثال، جذور الجانبية، جذور المغامرة، الشعر الجذر)². ويمكن دراسة عدم تجانس نظم الجذر على المقاييس المكانية من الخلايا إلى مستوى النظام الإيكولوجي وعلى نطاقات زمنية من الساعة إلى العشارية. وهكذا، فإن الطبيعة الديناميكية وغير المتجانسة للجذور والتربة المحيطة بها، أو رهيزوسفير، تشكل تحديات لالتقاط كيمياء الرهيزوسفير مع مرور الوقت. وعلى الرغم من هذا التحدي، من الضروري دراسة الجذور في بيئة التربة الخاصة بهم لتوصيف هذه العلاقة الحرجة بين النباتات والتربة.

إن كيمياء الرهيزوسفير لنباتات الأراضي الرطبة تشكل تحديا خاصا للتحقيق بسبب تدرجات الأكسجين الحادة الموجودة من التربة السائبة إلى الجذور، والتي تتغير في المكان والزمان. لأن الجذور تحتاج إلى الأكسجين للتنفس، وقد تكيفت النباتات الأراضي الرطبة لظروف انخفاض الأكسجين من التربة الرطبة عن طريق خلق aerenchyma^4،5. Aerenchyma هي الأنسجة القشرية المجوفة التي تمتد من يطلق النار على الجذور، مما يسمح بنشر الهواء من خلال النبات في الجذور. ومع ذلك، فإن بعض من هذا الهواء يتسرب إلى رهيزوسفير في أجزاء أقل فرعية من الجذور لا سيما بالقرب من تقاطعات الجذر الجانبي، نصائح الجذر أقل نضجا ومناطق الاستطالة^6،7،8،9. هذا فقدان الأكسجين الشعاعي يخلق منطقة مؤتأكسدة في رهيزوسفير من نباتات الأراضي الرطبة التي تؤثر على الكيمياء رهيزوسفير (بيو جيو) ويختلف عن انخفاض التربة السائبة^10،11،12. لفهم مصير ونقل المواد الغذائية والملوثات في رهيزوسفير الأراضي الرطبة والجذور، من الأهمية بمكان الحفاظ على التربة السائبة المنخفضة كيميائيا، ورهيزوسفير المؤأكسدة، وجذور نباتات الأراضي الرطبة لتحليلها. ومع ذلك، لأن التربة السائبة تحتوي على مكونات التربة المنخفضة التي هي حساسة للأوكسجين، يجب أن تحافظ طرق الحفاظ على الجذر والتربة على الهياكل الجذرية وتقليل ردود الفعل الحساسة للأوكسجين.

توجد طرق لإصلاح الأنسجة النباتية والحفاظ على البنية الفوقية للتصوير ، ولكن لا يمكن تطبيق هذه الأساليب للحفاظ كيميائيا على الجذور المتنامية في تربة الأراضي الرطبة. للتحقيقات حيث التوزيع عنصري فقط داخل الخلايا النباتية هو المطلوب، وعادة ما تزرع النباتات الهيدروبونية والجذور يمكن إزالتها بسهولة من الحل، ثابتة تحت ضغط عال تجميد وتجميد الاستبدال ومقسمة لمجموعة متنوعة من تطبيقات التصوير بما في ذلك عالية الدقة الطيف الكتلي الأيونات الثانوية (nanoSIMS)، المجهر الإلكتروني، وsnhrotron الأشعة السينية الفلورية (S-XRF) تحليل^{13، 14،15}. للتحقيق في لوحة Fe على السطح الخارجي لجذور الأراضي الرطبة ، يجب أن تحفز هذه الدراسات المائية بشكل مصطنع تكوين لوحة Fe في الحل¹⁶، والتي لا تمثل بدقة عدم تجانس التوزيع والتركيب المعدني لتشكيل البلاك Fe والعناصر المرتبطة به في الموقع^17و18و19و²⁰. توجد طرق للحفاظ على التربة الرطبة والكائنات الحية الدقيقة المرتبطة بها مع تجميد coring²¹، ولكن من الصعب الحصول على جذور مع هذه التقنية. الأساليب الحالية لتصور الجذور المتنامية في التربة وكيمياء رهيزوسفيرها تتكون من نوعين من أنواع القياس الأولية: التدفقات الأولية والتركيز الأساسي الكلي (والتكهنات). يتم قياس الأول عادة باستخدام تدرجات الانتشار في الأفلام الرقيقة (DGT)^22،23،24، حيث يتم وضع التربة في صناديق رهيزوبوكس لدعم نمو النبات في إعداد المختبر وعناصر الشفرين في التربة المنتشرة من خلال هلام في طبقة ملزمة. ويمكن بعد ذلك تصوير هذه الطبقة الملزمة لتحديد العناصر الشفهية ذات الاهتمام. هذه التقنية يمكن أن توضح بنجاح العلاقات بين الجذور ورهيزوسفير^{24،25،26،27}، ولكن قد توجد القطع الأثرية من الجذر يحدها النباتات المتنامية في rhizoboxes ، ولا يتم التقاط المعلومات عن باطن الجذر مع DGT. ويشمل هذا الأخير أخذ عينات من الجذور ورهيزوسفير، والحفاظ على العينة، وتحليل التوزيع الأولي مباشرة على قسم العينة. لهذه العينة البيئية من جذور النباتات الأراضي الرطبة ورهيزوسفير المحيطة بها، مطلوب التعامل مع عينة دقيقة لتجنب القطع الأثرية من إعداد العينة.

هنا يوصف بروتوكول يحافظ بشكل فعال على هياكل الجذر وكيمياء الرهيزوسفير لنباتات الأراضي الرطبة عن طريق تجميد البطولات الاربع وتجميد التجفيف. يمكن أن يؤدي تجميد الفلاش إلى إبطاء التحولات في المذابات الحساسة للأوكسجين بشكل كبير ولكنه قد يضر بالجذور وقد يسبب التعبئة عندما تجف العينات. ومع ذلك، البطولات الاربع تجميد حيث يتم تجميد العينة بين كتل النحاس تبريد مسبق مع النيتروجين السائل يقلل من تلف الجذر وتشويه العينة²⁸. ثم يتم تضمين العينات المحفوظة في راتنج الايبوكسي الذي يحافظ على الطيف^20،29 ويمكن قطع ومصقول لتصوير الجذور داخل التربة rhizosphere بهم. تم تحليل العينات في هذا التقرير من قبل التصوير الطيف الكيميائي S-XRF بعد تقسيم رقيقة. ومع ذلك، يمكن أيضا استخدام تقنيات تصوير أخرى، بما في ذلك قياس الطيف الكتلي للبلازما المقترن بالاجتثاث بالليزر (LA-ICP-MS)، وانبعاثات الأشعة السينية الناجمة عن الجسيمات (PIXE)، وقياس الطيف الكتلي الأيوني الثانوي (SIMS)، والتصوير الطيفي للانهيار الناجم عن الليزر (LIBS).