Оптимизированный протокол Rhizobox для визуализации рост корня и реагировать локализованных питательные вещества
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
Representative Results
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
- Hodge, A. Roots: The Acquisition of Water and Nutrients from the Heterogeneous Soil Environment. Progress in Botany 71. , 307-337 (2010).
- 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).
- Zhang, H., Forde, B. G. An Arabidopsis MADS box gene that controls nutrient-induced changes in root architecture. Science. 279 (5349), 407-409 (1998).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hewitt, E. J. . Sand and Water Culture Methods Used in the Study of Plant Nutrition. , (1966).
- 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).
- 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).
- McNear, D. H. The Rhizosphere – Roots, Soil, and Everything In Between. Nature Education Knowledge. 4 (3), 1 (2013).
- Ortas, I. Determination of the extent of rhizosphere soil. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 28 (19-20), 1767-1776 (1997).
- . Carbon (13C) and Nitrogen (15N) Sample Preparation Available from: https://stableisotopefacility.ucdavis.edu/13cand15nsamplepreparation.html (2018)
- Barraclough, D. 15N isotope dilution techniques to study soil nitrogen transformations and plant uptake. Fertilizer research. 42 (1-3), 185-192 (1995).
- Belter, P. R., Cahill, J. F. Disentangling root system responses to neighbours: identification of novel root behavioural strategies. AoB PLANTS. 7, (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wu, J., et al. RhizoChamber-Monitor: a robotic platform and software enabling characterization of root growth. Plant Methods. 14 (1), 44 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Zhang, Y. L., Wang, Y. S. Soil enzyme activities with greenhouse subsurface irrigation. Pedosphere. 16 (4), 512-518 (2006).
- 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).
- Lobet, G., Draye, X. Novel scanning procedure enabling the vectorization of entire rhizotron-grown root systems. Plant Methods. 9, 1 (2013).
- Swarup, R., Wells, D. M., Bennett, M. J. Root Gravitropism. Plant Roots: The Hidden Half. , (2013).
- Smit, A. L., Bengough, A. G., Engels, C., van Noordwijk, M., Pellerin, S., van de Geijn, S. C. . Root Methods: A Handbook. , (2000).
- 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).
- 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).
