Kök büyüme ve yerelleştirilmiş besin kavramaları görselleştirmek için en iyi duruma getirilmiş bir Rhizobox Protokolü
Summary
Görselleştirme ve kök büyüme in situ ölçme son derece zordur. Biz kök gelişimi ve nükleer silahların yayılmasına karşı zaman içinde yanıt-e doğru besin zenginleştirme izlemek için özelleştirilebilir rhizobox Yöntem mevcut. Bu yöntem kök plastisite yanıt bir organik azot kaynağı olarak Mısır genotypic farklılıklar analiz etmek için kullanılır.
Abstract
Kökleri çalışmaya Rootkitler zordur. Toprak bir görsel ve mekanik bariyer, zor yapım izlemek için in situ yıkıcı hasat veya pahalı aletler olmadan kökleri. Biz kök büyüme zaman içinde non-yıkıcı görselleştirme sağlar ve özellikle iyi kök plastisite yanıt yerelleştirilmiş kaynak yamalar olarak eğitim için uygun bir özelleştirilebilir ve uygun fiyatlı rhizobox Yöntem mevcut. Yöntem plastisite yanıt 15N etiketli baklagil kalıntı içeren yamalar için Mısır genotypic varyasyon değerlendirmek tarafından doğrulandı. Zaman içinde temsilcisi gelişimsel ölçümler elde, kök uzunluğu dansitesi kaynağını içeren ve denetim yamalar ölçmek, kök büyüme oranları hesaplamak ve bitki kökleri ve sürgünler tarafından 15N kurtarma belirlemek için yöntemler açıklanmıştır. Avantajları, uyarılar ve yöntemin olası gelecekteki uygulamalar da ele alınmıştır. Deneysel koşullar kök büyüme verilerini önyargı değil emin olmak için bakım alınması gerekir, ancak, burada sunulan rhizobox Protokolü yeterli detaylara ile yürütüldü ise güvenilir sonuçlar verir.
Introduction
Her ne kadar genellikle gözden kaçan yerüstü meslektaşlarına göre kökleri bitki besin edinme kritik bir rol oynamaktadır. Kök yapım ve bakım önemli karbon maliyeti göz önüne alındığında, bitki kökleri sadece yiyecek arama yatırım değer nerede geliştirmek için mekanizmalar gelişmiştir. Kök sistemleri böylece verimli ve dinamik olarak kaynak yamalar etkin noktaları, alımı ve daha fazla taşıma1için phloem hızla translocating besin etkinleşmiş oranları Proliferasyona benim. Plastisite yanıt çok bitki türleri veya genotip2,3 arasında ve besin dahil4,5kimyasal forma bağlı olarak değişebilir. Değişim kök plastisite daha fazla anlayış karmaşık kök yanıtları türdeş olmayan toprak kaynakları için üreme ve besin kullanımı tarımda verimliliği artırmak için yönetim stratejileri haber keşfedilmeyi.
Görselleştirme ve kök plastisite ilgili ölçeklerde miktarının gereklilik ve alaka anlamak bitki sistemleri için rağmen teknik sorunlar teşkil etmektedir. (“Shovelomics”6) topraktan kök taç kazı bir ortak yöntem ama iyi kökleri toprak agrega arasındaki küçük gözenekleri yararlanmak ve kazı kaçınılmaz kaybı bu kırılgan köklerin bir dereceye kadar açar. Ayrıca, yıkıcı hasat zaman içinde bir kök sistemi değişiklikleri takip etmek imkansız kılıyor. Situ x-ışını bilgisayarlı tomografi gibi görüntüleme yöntemleri yüksek uzaysal çözünürlük7‘ de, kök ve toprak kaynakları doğrudan görselleştirme izin ama pahalı ve özel ekipman gerektirir. Hydroponic deneyler topraktan kökleri ayıklanması ile ilişkili kısıtlamaları önlemek, ancak kök Morfoloji ve mimarisi ile karşılaştırıldığında mekanik kısıtlamaları ve toprak8,9biyofiziksel karmaşıklık sulu ortamda farklı. Son olarak, rizosferde süreçleri ve fonksiyonlar bu yapay ortamda Gelişimsel plastisite ile entegre olamaz.
Biz inşaat ve zaman içinde toprakta kök büyüme karakterize etmek için düşük maliyetli, özelleştirilebilir bir yöntem olarak rhizoboxes (dar, açık taraflı dikdörtgen konteynerler) kullanımı için bir iletişim kuralı mevcut. Özel olarak tasarlanmış kare kökler tercihen gravitropism, kök uzunluğu Ölçümlerin doğruluğu artan nedeniyle arka panel karşı büyümeye teşvik ediyoruz. Rhizoboxes kök büyüme ve rizosferde etkileşimleri10,11,12incelemek için yaygın olarak kullanılır, ama burada sunulan yöntemi sadelik tek bölmeli tasarımıyla ve ucuz bir avantaj sunuyor malzemeler ve kök yanıtları için yerelleştirilmiş besin çalışma için tasarlanmıştır. Ancak, yöntem ayrıca çeşitli diğer kök ve rizosferde içi/interspecies rekabet gibi kimyasal bileşikler, mikrop veya enzim aktivitesi kayma dağılımını çalışmaya adapte olacaktır. Burada, yanıt rhizobox yöntemi doğrulamak için 15N etiketli baklagil kalıntı ve vurgulamak temsilcisi sonuçları yamalari olarak Mısır melez arasında genotypic farklar araştırıyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol için açıklanan rhizoboxes kök ve rizosferde bilim çeşitli sorulara cevap ve çeşitli başka bir yerde10,20,21,22,23 kullanır-si olmak kurmak için kullanılabilir , 24 , 25. diğer araştırmacılar rhizoboxes21,25</sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar için onların geribildirim, hem de J.C. Cahill adsız yorumcular ve Tan Bao rhizobox Protokolü Geliştirme Başlangıç Kılavuzu için kabul etmek istiyorum. Finansman, UC Davis bölümü bitki ve gıda ve Tarım Araştırma, gıda ve tarım, tarım deney istasyonu projesi CA-D-PLS-2332-H, A.G. için bize Bakanlığı, Tarım (USDA) Ulusal Enstitüsü Vakfı tarafından sağlanan yapıldı. Bir arkadaş grubu için JS ile Bilimler
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).
