Een geoptimaliseerde Rhizobox Protocol bij het visualiseren van de wortelgroei en responsiviteit gelokaliseerde nutriënten
Summary
Visualiseren en meten wortel groei in situ is zeer uitdagend. We presenteren een aanpasbare rhizobox methode voor het bijhouden van de ontwikkeling van de wortel en proliferatie na verloop van tijd in reactie op de voedingsstoffen verrijking. Deze methode wordt gebruikt voor het analyseren van maïs genotypische verschillen in wortel plasticiteit in reactie op een organische stikstofbron.
Abstract
Wortels zijn notoir moeilijk te bestuderen. De bodem is zowel een visuele en mechanische barrière, waardoor het moeilijk is om bij te houden wortels in situ zonder destructieve oogst of dure apparatuur. We presenteren een klantgerichte en betaalbare rhizobox-methode, waarmee de niet-destructieve visualisatie van wortelgroei na verloop van tijd en is bijzonder goed geschikt voor het bestuderen van wortel plasticiteit in reactie op de bron van de gelokaliseerde patches. De methode werd gevalideerd door maïs genotypische variatie in plasticiteit reacties op patches met 15N-geëtiketteerden peulvrucht residu te bepalen. Methoden worden beschreven verkrijgen representatieve developmental metingen na verloop van tijd meten wortel lengte dichtheid in resource-bevattende en controle patches, berekening van groeicijfers van de wortel, en vervolgens bepalen 15N herstel door plant roots en shoots. Voordelen, waarschuwingen en mogelijke toekomstige toepassingen van de methode worden ook besproken. Hoewel zorg men moet zich ervan vergewissen dat de experimentele omstandigheden niet wortel groeigegevens doen bias, levert het rhizobox protocol gepresenteerd hier betrouwbare resultaten indien uitgevoerd met voldoende aandacht voor detail.
Introduction
Hoewel vaak over het hoofd gezien ten opzichte van hun bovengrondse tegenhangers, wortels spelen een cruciale rol in de plant voedingsstoffen acquisitie. Gezien de aanzienlijke koolstof kosten van wortel bouw en het onderhoud, planten geëvolueerd mechanismen voor de ontwikkeling van de wortels alleen waar foerageren is de investering waard. Wortelstelsel kan zo efficiënt en dynamisch mij resource patches door prolifererende in hotspots, upregulating tarieven van opname, en snel translocating voedingsstoffen naar het floëem voor verder vervoer1. Plasticiteit reacties kunnen sterk verschillen tussen plant soorten of genotypen2,3 en afhankelijk van de chemische vorm van de nutriënten betrokken4,5. Variatie in wortel plasticiteit moet verder, als begrip complexe wortel reacties op heterogene bodem middelen zou kunnen meedelen fok- en beheerstrategieën om efficiënter nutriënten gebruik in de landbouw worden onderzocht.
Ondanks zijn noodzaak en relevantie voor begrip plant systemen plaatst visualiseren en kwantificeren van de wortel plasticiteit op relevante schalen technische uitdagingen. Opgraven van de kroon van de wortel uit de bodem (“shovelomics”6) is een gemeenschappelijke methode, maar fijne wortels exploiteren kleine poriën tussen de bodem aggregaten en opgraving leidt onvermijdelijk tot een zekere mate van verlies van deze kwetsbare wortels. Bovendien, destructieve oogst maakt het onmogelijk om het volgen van veranderingen in een wortelsysteem na verloop van tijd. In situ beeldvormende methoden zoals X-ray berekend tomografie directe visualisatie van wortels en bodem middelen toestaan op hoge ruimtelijke resolutie7, maar zijn duur en gespecialiseerde apparatuur vereist. Hydrocultuur experimenten vermijden verplichtingen in verband met de winning van wortels uit de bodem, maar wortel morfologie en het platform verschillen in waterige media ten opzichte van de mechanische beperkingen en biofysische complexiteit van bodems8,9. Ten slotte kunnen niet rhizosfeer processen en functies worden geïntegreerd met ontwikkelingsstoornissen plasticiteit in deze kunstmatige media.
Presenteren we een protocol voor de bouw en het gebruik van rhizoboxes (smalle, duidelijke-zijdige rechthoekige containers) als een goedkope, aanpasbare methode te karakteriseren wortelgroei in de bodem na verloop van tijd. Speciaal ontworpen frames aanmoedigen wortels groeien bij voorkeur tegen het achterpaneel vanwege Geotropie, verhogen van de nauwkeurigheid van wortel lengte metingen. Rhizoboxes worden gebruikt bij het bestuderen van de wortelgroei en rhizosfeer interacties10,11,12, maar de methode die hier gepresenteerd biedt een voordeel in de eenvoud met haar single-vaks ontwerp en goedkoop materialen, en is ontworpen om te bestuderen wortel reacties op gelokaliseerde voedingsstoffen. De methode kan echter ook worden aangepast aan het bestuderen van een aantal andere wortel en rhizosfeer processen zoals intra/interspecies concurrentie, ruimtelijke verdeling van chemische verbindingen, microben of enzymactiviteit. Hier, onderzoeken we genotypische verschillen tussen maïs hybriden in reactie op patches van 15N-geëtiketteerden peulvrucht residu en hoogtepunt representatieve resultaten te valideren van de methode rhizobox.
Protocol
Representative Results
Discussion
De rhizoboxes beschreven in dit protocol kan worden gebruikt voor uiteenlopende vragen in de wortel en de rhizosfeer wetenschap, en hebben gevonden Divers gebruikt elders10,20,21,22,23 , 24 , 25. andere onderzoekers hebben gevangen time-lapse beelden van rhizoboxes21<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs wil erkennen Anoniem reviewers voor hun feedback, evenals J.C. Cahill en Tan Bao voor de eerste oriëntatie op de ontwikkeling van het rhizobox-protocol. Financiering werd verstrekt door de Stichting voor voedsel en landbouwonderzoek, het nationale Instituut van ons ministerie van landbouw (USDA) van voeding en landbouw, agrarische Experiment Station Project CA-D-PLS-2332-H, aan A.G. en door de UC Davis departement van Plant Wetenschappen via een fellowship aan 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 |
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).
