Summary

Оптимизированный протокол Rhizobox для визуализации рост корня и реагировать локализованных питательные вещества

Published: October 22, 2018
doi:

Summary

Визуализация и измерения корень роста в situ является чрезвычайно сложной задачей. Мы представляем настраиваемый rhizobox метод для отслеживания корневого разработки и распространения со временем в ответ на обогащение питательными веществами. Этот метод используется для анализа кукурузы генотипического различия в корень пластичности в ответ на источник органического азота.

Abstract

Корни являются заведомо трудно учиться. Почва является визуальные и механические барьер, затрудняет отслеживание корни в situ без разрушительных урожая или дорогостоящего оборудования. Мы представляем настраиваемый и доступной rhizobox метод, который позволяет неразрушающего визуализации рост корня с течением времени и особенно хорошо подходит для изучения пластичность корня в ответ на патчи локализованных ресурсов. Этот метод был подтвержден оценки кукурузы генотипического различия в пластичности ответы патчи, содержащий 15N-меченых бобовых остатков. Методы описаны для получения представительной развития измерений со временем, измерения плотности длина корня в патчи содержащие ресурсов и управления, расчета темпов роста корня и определить 15N восстановления растений корни и побеги. Также обсуждаются преимущества, предостережения и потенциального будущего применения метода. Хотя ухода должны быть приняты для обеспечения что экспериментальных условиях не смещения корня роста данных, протокол rhizobox, представленные здесь дает надежные результаты, если осуществляется с достаточным вниманием к деталям.

Introduction

Хотя часто упускается из виду по сравнению с их коллегами-трава, корни играют важную роль в приобретение растений питательных веществ. Учитывая существенные углерода стоимость корневой строительства и технического обслуживания, растения эволюционировали механизмов для разработки корней, только когда взятка стоит инвестиций. Корневые системы могут таким образом эффективно и динамически шахты ресурсов патчи, размножающихся в горячих точках, upregulating темпы поглощения, и быстро translocating питательных веществ к флоэма для дальнейшей перевозки1. Пластичность ответы могут широко варьироваться среди растений видов и генотипов2,3 и в зависимости от химической формы питательных веществ участвующих в4,5. Вариации в корень пластичности следует продолжить, как понимание сложных корень ответы на гетерогенных почвенных ресурсов может информировать селекции и стратегии управления для повышения эффективности использования питательных веществ в сельском хозяйстве.

Несмотря на свою необходимость и актуальность для понимания систем растений визуализации и количественного определения пластичность корня на соответствующих уровнях создает технические проблемы. Раскопки корень корону из почвы (6«shovelomics») является распространенным методом, но тонкой корни использовать небольшие поры между агрегатов почвы, и раскопки неизбежно приводит к некоторой степени утраты этих хрупких корней. Кроме того разрушительные урожай делает невозможным следовать изменения в одной корневой системы с течением времени. В situ тепловизионные методы, такие как рентгеновская компьютерная томография позволяют прямой визуализации корней и почвенных ресурсов в высокое пространственное разрешение7, но стоят дорого и требуют специализированного оборудования. Гидропонное эксперименты избежать ограничений, связанных с извлечение корней из почвы, но корень морфологии и архитектуры различаются в водной среде по сравнению с механической ограничений и биофизических сложности почвах8,9. Наконец ризосфере процессы и функции не могут быть интегрированы с развития пластичности в этих искусственных средств массовой информации.

Мы представляем собой протокол для строительства и использования rhizoboxes (узкая, ясно сторонняя прямоугольные контейнеры) как лоу кост, настраиваемый метод характеризуют рост корней в почве с течением времени. Специально разработанные рамки поощрения корни растут преимущественно против задней панели из-за геотропизм, повышение точности измерения длины корня. Rhizoboxes обычно используется для изучения роста корней и ризосфере взаимодействия10,11,12, но представленные здесь метод предлагает преимущество в простоте с его сингл купе дизайн и недорогой материалы и предназначен для изучения корня ответы на локализованных питательных веществ. Однако метод также может быть адаптирована для изучения ряда других процессов корня и ризосфере например intra/межвидовые конкуренции, пространственного распределения химических соединений, микробы или активность фермента. Здесь мы исследуем генотипического различия между гибриды кукурузы в ответ на патчи 15N-меченых бобовых остатков и выделить представителя результаты для проверки метода rhizobox.

Protocol

1. Подготовка передней и задней панелей и распорки Подготовьте передней и задней панели. Вырезать две части ясно 0,635 см толщиной акриловые до 40,5 см Ширина 61 см длиной в коробке или приобрести предварительно вырезанные кусочки (см. Таблицу материалы). Используя св?…

Representative Results

Корни преференциально вырос против обратно в коробку, как ожидалось. Длина всего проследить корня на задней части коробки, колебались от 400 до 1956 см, по сравнению с 93-758 см на передней панели. Были рассчитаны парные коэффициенты корреляции Пирсона между отсканированные …

Discussion

Rhizoboxes, описанных в настоящем Протоколе может использоваться для разнообразных ответов в корень и ризосфере науки и обнаружили, что различные использует других10,20,21,22,23 , 24 ,</s…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы хотели бы признать анонимные отзывы для их обратной связи, а также J.C. Кэхилл и Tan Bao для первоначальные руководящие указания по разработке протокола rhizobox. Финансирование было предоставлено Фондом для продовольствия и сельского хозяйства исследований, США Департамента из сельского хозяйства (USDA) Национального института продовольствия и сельского хозяйства, сельскохозяйственной опытной станции проекта CA-D-PLS-2332-H, чтобы а.г. и UC Davis отдела завода Наук через стипендий для и.с.

Materials

1.27 cm diameter PVC pipe JM Eagle 530048 305 cm per box, cut into lengths as specified in the protocol
PVC side elbows Lasco 315498 2 per box
PVC 90-degree elbows Charlotte PVC 02300 0600 4 per box
PVC T joints Charlotte PVC 02402 0600 4 per box
Extruded acrylic panes TAP Plastics N/A 2 per box, 0.64 cm thick x 40.5 cm wide x 61 cm long
HDPE spacers (sides) TAP Plastics N/A 2 per box, 0.64 cm thick x 2.5 cm wide x 57 cm long
HDPE spacers (bottom) TAP Plastics N/A 1 per box, 0.64 cm thick x 2.5 cm wide x 40.5 cm long
HDPE spacers (patch) TAP Plastics N/A 2 per box, 0.64 cm thick x 3.8 cm wide x 28 cm long
Polyester batting Fairfield #A-X90 2.5 cm x 40.5 cm strip per box
20-thread screws N/A N/A 3.2 cm long, 0.64 cm diameter
Washers N/A N/A 0.64 cm internal diameter
Hex nuts N/A N/A sized to fit the screws
Light deprivation fabric Americover, Inc. Bold 8WB26.5 1 piece 95 cm wide and 69 cm long per box
Sand Quikrete No. 1113
Field soil N/A N/A
Transparencies for tracing FXN FXNT1319100S One per side of the box to be traced

References

  1. Hodge, A. Roots: The Acquisition of Water and Nutrients from the Heterogeneous Soil Environment. Progress in Botany 71. , 307-337 (2010).
  2. Grossman, J. D., Rice, K. J. Evolution of root plasticity responses to variation in soil nutrient distribution and concentration. Evolutionary Applications. 5 (8), 850-857 (2012).
  3. Zhang, H., Forde, B. G. An Arabidopsis MADS box gene that controls nutrient-induced changes in root architecture. Science. 279 (5349), 407-409 (1998).
  4. Hodge, A., Stewart, J., Robinson, D., Griffiths, B. S., Fitter, A. H. Competition between roots and soil micro-organisms for nutrients from nitrogen-rich patches of varying complexity. Journal of Ecology. 88 (1), 150-164 (2000).
  5. Trachsel, S., Kaeppler, S. M., Brown, K. M., Lynch, J. P. Shovelomics: high throughput phenotyping of maize (Zea mays L.) root architecture in the field. Plant and Soil. 341 (1-2), 75-87 (2011).
  6. Rogers, E. D., Monaenkova, D., Mijar, M., Nori, A., Goldman, D. I., Benfey, P. N. X-ray computed tomography reveals the response of root system architecture to soil texture. Plant Physiology. , (2016).
  7. Groleau-Renaud, V., Plantureux, S., Guckert, A. Effect of mechanical constraint on nodal and seminal root system of maize plants. Comptes Rendus De L Academie Des Sciences Serie Iii-Sciences De La Vie-Life Sciences. 321 (1), 63-71 (1998).
  8. Lin, Y., Allen, H. E., Di Toro, D. M. Barley root hair growth and morphology in soil, sand, and water solution media and relationship with nickel toxicity. Environmental Toxicology and Chemistry. 35 (8), 2125-2133 (2016).
  9. Wenzel, W. W., Wieshammer, G., Fitz, W. J., Puschenreiter, M. Novel rhizobox design to assess rhizosphere characteristics at high spatial resolution. Plant and Soil. 237 (1), 37-45 (2001).
  10. Spohn, M., Carminati, A., Kuzyakov, Y. Soil zymography – A novel in situ method for mapping distribution of enzyme activity in soil. Soil Biology and Biochemistry. 58, 275-280 (2013).
  11. Vollsnes, A. V., Futsaether, C. M., Bengough, A. G. Quantifying rhizosphere particle movement around mutant maize roots using time-lapse imaging and particle image velocimetry. European Journal of Soil Science. 61 (6), 926-939 (2010).
  12. Hewitt, E. J. . Sand and Water Culture Methods Used in the Study of Plant Nutrition. , (1966).
  13. Choudhary, M. I., Shalaby, A. A., Al-Omran, A. M. Water holding capacity and evaporation of calcareous soils as affected by four synthetic polymers. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 26 (13-14), 2205-2215 (1995).
  14. Bakker, P. A. H. M., Berendsen, R. L., Doornbos, R. F., Wintermans, P. C. A., Pieterse, C. M. J. The rhizosphere revisited: root microbiomics. Frontiers in Plant Science. 4, 2013 (2013).
  15. McNear, D. H. The Rhizosphere – Roots, Soil, and Everything In Between. Nature Education Knowledge. 4 (3), 1 (2013).
  16. Ortas, I. Determination of the extent of rhizosphere soil. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 28 (19-20), 1767-1776 (1997).
  17. . Carbon (13C) and Nitrogen (15N) Sample Preparation Available from: https://stableisotopefacility.ucdavis.edu/13cand15nsamplepreparation.html (2018)
  18. Barraclough, D. 15N isotope dilution techniques to study soil nitrogen transformations and plant uptake. Fertilizer research. 42 (1-3), 185-192 (1995).
  19. Belter, P. R., Cahill, J. F. Disentangling root system responses to neighbours: identification of novel root behavioural strategies. AoB PLANTS. 7, (2015).
  20. Nagel, K. A., et al. GROWSCREEN-Rhizo is a novel phenotyping robot enabling simultaneous measurements of root and shoot growth for plants grown in soil-filled rhizotrons. Functional Plant Biology. 39 (11), 891-904 (2012).
  21. Adu, M. O., Yawson, D. O., Bennett, M. J., Broadley, M. R., Dupuy, L. X., White, P. J. A scanner-based rhizobox system enabling the quantification of root system development and response of Brassica rapa seedlings to external P availability. Plant Root. 11, 16-32 (2017).
  22. Neumann, G., George, T. S., Plassard, C. Strategies and methods for studying the rhizosphere-the plant science toolbox. Plant and Soil. 321 (1-2), 431-456 (2009).
  23. Bodner, G., Alsalem, M., Nakhforoosh, A., Arnold, T., Leitner, D. RGB and Spectral Root Imaging for Plant Phenotyping and Physiological Research: Experimental Setup and Imaging Protocols. JoVE (Journal of Visualized Experiments). (126), e56251-e56251 (2017).
  24. Kuchenbuch, R. O., Ingram, K. T. Image analysis for non-destructive and non-invasive quantification of root growth and soil water content in rhizotrons. Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 165 (5), 573-581 (2002).
  25. Dresbøll, D. B., Thorup-Kristensen, K., McKenzie, B. M., Dupuy, L. X., Bengough, A. G. Timelapse scanning reveals spatial variation in tomato (Solanum lycopersicum L.) root elongation rates during partial waterlogging. Plant and Soil. 369 (1-2), 467-477 (2013).
  26. Wu, J., et al. RhizoChamber-Monitor: a robotic platform and software enabling characterization of root growth. Plant Methods. 14 (1), 44 (2018).
  27. Rogers, S. W., Moorman, T. B., Ong, S. K. Fluorescent In Situ Hybridization and Micro-autoradiography Applied to Ecophysiology in Soil. Soil Science Society of America Journal. 71 (2), 620-631 (2007).
  28. Eickhorst, T., Tippkötter, R. Detection of microorganisms in undisturbed soil by combining fluorescence in situ hybridization (FISH) and micropedological methods. Soil Biology and Biochemistry. 40 (6), 1284-1293 (2008).
  29. Spohn, M., Kuzyakov, Y. Distribution of microbial- and root-derived phosphatase activities in the rhizosphere depending on P availability and C allocation – Coupling soil zymography with 14C imaging. Soil Biology and Biochemistry. 67, 106-113 (2013).
  30. Lv, G., Kang, Y., Li, L., Wan, S. Effect of irrigation methods on root development and profile soil water uptake in winter wheat. Irrigation Science. 28 (5), 387-398 (2010).
  31. Asseng, S., Ritchie, J. T., Smucker, A. J. M., Robertson, M. J. Root growth and water uptake during water deficit and recovering in wheat. Plant and Soil. 201 (2), 265-273 (1998).
  32. Hernandez-Ramirez, G., et al. Root Responses to Alterations in Macroporosity and Penetrability in a Silt Loam Soil. Soil Science Society of America Journal. 78 (4), 1392-1403 (2014).
  33. Zhang, Y. L., Wang, Y. S. Soil enzyme activities with greenhouse subsurface irrigation. Pedosphere. 16 (4), 512-518 (2006).
  34. Robinson, D., Hodge, A., Griffiths, B. S., Fitter, A. H. Plant root proliferation in nitrogen-rich patches confers competitive advantage. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences. 266 (1418), 431-435 (1999).
  35. Lobet, G., Draye, X. Novel scanning procedure enabling the vectorization of entire rhizotron-grown root systems. Plant Methods. 9, 1 (2013).
  36. Swarup, R., Wells, D. M., Bennett, M. J. Root Gravitropism. Plant Roots: The Hidden Half. , (2013).
  37. Smit, A. L., Bengough, A. G., Engels, C., van Noordwijk, M., Pellerin, S., van de Geijn, S. C. . Root Methods: A Handbook. , (2000).
  38. van Dusschoten, D., et al. Quantitative 3D Analysis of Plant Roots Growing in Soil Using Magnetic Resonance Imaging1[OPEN]. Plant Physiology. 170 (3), 1176-1188 (2016).
  39. Metzner, R., et al. Direct comparison of MRI and X-ray CT technologies for 3D imaging of root systems in soil: potential and challenges for root trait quantification. Plant Methods. 11, 17 (2015).

Play Video

Citer Cet Article
Schmidt, J. E., Lowry, C., Gaudin, A. C. An Optimized Rhizobox Protocol to Visualize Root Growth and Responsiveness to Localized Nutrients. J. Vis. Exp. (140), e58674, doi:10.3791/58674 (2018).

View Video