Un protocolo de Rhizobox optimizada para visualizar el crecimiento de las raíces y la capacidad de respuesta a nutrientes localizadas
Summary
Visualización y medición del crecimiento de raíz en situ es extremadamente difícil. Se presenta un método rhizobox personalizable para seguir el desarrollo de la raíz y proliferación en el tiempo en respuesta al enriquecimiento de nutrientes. Este método se utiliza para analizar maíz diferencias genotípicas en la plasticidad de la raíz en respuesta a una fuente de nitrógeno orgánico.
Abstract
Las raíces son notoriamente difíciles de estudiar. El suelo es una barrera visual y mecánica, lo que hace difícil rastrear raíces en situ sin cosecha destructiva o equipo costoso. Presentamos un método rhizobox personalizable y asequible que permite la visualización no destructiva de crecimiento de las raíces en el tiempo y está particularmente bien adaptado al estudio de la plasticidad de la raíz en respuesta a parches de recursos. El método se validó mediante la evaluación de maíz variación genotípica en las respuestas de plasticidad a parches que contienen residuos de leguminosa marcado con N 15. Métodos se describen para obtener mediciones representativas de desarrollo en el tiempo, medir la densidad de longitud de raíz en parches que contienen el recurso y el control, calcular las tasas de crecimiento de la raíz y determinar recuperación de 15N por la planta raíces y brotes. También se discuten las posibles aplicaciones futuras del método, ventajas y advertencias. Aunque debe tenerse cuidado para asegurar que las condiciones experimentales no sesgar los datos de crecimiento de raíz, el protocolo de rhizobox presentado produce resultados confiables si lleva a cabo con suficiente atención al detalle.
Introduction
Aunque a menudo pasado por alto en comparación con sus contrapartes sobre tierra, las raíces juegan un papel crítico en la adquisición de nutrientes de plantas. Dado el coste de carbono substancial de raíz construcción y mantenimiento, las plantas han desarrollado mecanismos para desarrollar raíces sólo forraje es donde vale la pena la inversión. Sistemas de la raíz puede así eficiente y dinámica de la mina parches de recursos por proliferación de hotspots, regular las tasas de absorción y nutrientes rápidamente translocan al floema para más transporte1. Respuestas de plasticidad pueden variar ampliamente entre planta especies o genotipos2,3 y dependiendo de la forma química de los nutrientes implicados4,5. Variación en la plasticidad de la raíz se debe explorar más lejos, como entender las respuestas de la raíz compleja para recursos de suelos heterogéneos podrían informar a reproducción y estrategias de gestión para aumentar la eficiencia de uso de nutrientes en la agricultura.
A pesar de su necesidad y relevancia para los sistemas de la planta de comprensión, visualización y cuantificación de la plasticidad de la raíz a escalas relevantes plantea desafíos técnicos. Excavación de la corona de la raíz de la tierra (“shovelomics”6) es un método común, pero raíces finas explotan pequeños poros entre agregados de suelo y excavación conduce inevitablemente a un cierto grado de pérdida de estas raíces frágiles. Además, cosecha destructiva hace imposible seguir los cambios en un sistema de raíz en el tiempo. In situ métodos imagenológicos como la tomografía computarizada de rayos x permiten la visualización directa de los recursos de suelo y raíces en la alta resolución espacial7, pero son costosos y requieren de equipo especializado. Experimentos de cultivo hidropónicos evitar limitaciones relacionadas con la extracción de raíces del suelo, pero arquitectura y morfología de la raíz se diferencian en medios acuosos con respecto a las limitaciones mecánicas y Biofísica complejidad de suelos8,9. Finalmente, funciones y procesos de la rizosfera pueden integrarse con plasticidad del desarrollo en estos medios artificiales.
Presentamos un protocolo para la construcción y uso de rhizoboxes (contenedores rectangulares estrechas, cara claro) como un método de bajo costo, adaptable para caracterizar el crecimiento de la raíz en el suelo con el tiempo. Marcos diseñados especialmente fomentan raíces crecer preferentemente contra la parte trasera debido al Gravitropismo, aumentar la precisión de las mediciones de longitud de raíz. Rhizoboxes se utilizan para estudiar el crecimiento de las raíces y rizosfera interacciones10,11,12, pero el método presentado aquí ofrece una ventaja en la simplicidad con su diseño del solo-compartimiento y barato materiales y está diseñado para estudiar las respuestas de la raíz a los nutrientes localizadas. Sin embargo, el método también podría ser adaptado para el estudio de una variedad de otros procesos como la competencia intra/intraespecífica raíces y rizosfera, distribución espacial de la actividad enzimática, compuestos químicos y microbios. Aquí, se investigan las diferencias genotípicas entre híbridos de maíz en respuesta a parches de 15leguminosas marcados con N residuos y resaltar resultados representativos para validar el método de rhizobox.
Protocol
Representative Results
Discussion
El rhizoboxes que se describe en este protocolo se puede utilizar para responder preguntas variadas en raíces y rizosfera y han encontrado diversas aplicaciones en otros lugares10,20,21,22,23 , 24 , 25. otros investigadores han captado imágenes de Time-lapse de rhizoboxes…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean reconocer los revisores anónimos por sus comentarios, como J.C. Cahill y Tan Bao de orientación inicial en el desarrollo del Protocolo de rhizobox. La financiación fue proporcionada por la Fundación para la alimentación y la agricultura investigación, nosotros Departamento de Agricultura (USDA) Instituto Nacional de alimentación y la agricultura, agrícola estación experimental proyecto CA-D-PLS-2332-H, a A.G. y por la UC Davis Departamento de la planta Ciencias a través de una beca para J.S.
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 |
Riferimenti
- 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).
