פרוטוקול Rhizobox ממוטבת כדי להמחיש צמיחה השורש והיענות לצרכי מזינים לשפות אחרות
Summary
להמחיש ומדידת הבסיס לצמיחה בחיי עיר הוא מאוד מאתגר. אנו מציגים שיטה rhizobox להתאמה אישית כדי לעקוב אחר התפתחות שורש והתפשטות לאורך זמן בתגובה העשרה התזונתי. שיטה זו משמשת כדי לנתח את ההבדלים genotypic תירס שורש פלסטיות בתגובה מקור חנקן אורגני.
Abstract
. השורשים קשה לשמצה ללמוד. אדמה הן מחסום ויזואלי ועל מכניים, ומקשה לנהל מעקב אחר שורשי בחיי עיר ללא קציר הרסנית או ציוד יקר. אנו מציגים שיטה rhizobox להתאמה אישית ובמחירים סבירים זה מאפשר את הפריט החזותי הרסניות של צמיחה השורש לאורך זמן, במיוחד ולסדרם ללמוד שורש פלסטיות בתגובה תיקונים משאב מקומי. השיטה אומתה על-ידי הערכת וריאציה genotypic תירס פלסטיות התגובות תיקונים המכיל 15קטניות התווית על-ידי N שאריות. שיטות מתוארים להשיג נציג מדידות התפתחותיות לאורך זמן, למדוד צפיפות אורך הבסיס בכתמים המכיל משאבים ושליטה, לחשב שיעורי צמיחה השורש של לקבוע 15N שחזור על ידי הצמח רוטס & שוטס. יתרונות אזהרות, יישומים אפשריים בעתיד של השיטה נדונים גם. אמנם יש לנקוט על מנת להבטיח כי תנאי הניסוי לא הטיה נתוני צמיחה השורש, פרוטוקול rhizobox המובאת כאן מניבה תוצאות אמינות אם מתבצעת עם מספיק תשומת לב לפרטים.
Introduction
אמנם לעתים קרובות התעלמו לעומת עמיתיהם מעל פני הקרקע, שורשים לשחק תפקיד קריטי ברכישת חומר מזין הצמח. בהינתן העלות פחמן משמעותי של השורש בנייה ותחזוקה, הצמחים התפתחו מנגנונים לפתח שורשים רק איפה ליקוט מזון הוא שווה את ההשקעה. מערכות שורשים יכול ובכך ביעילות, באופן דינמי שלי משאב תיקונים מאת מתרבים בנקודות חמות, upregulating קולטני שערי ספיגת, והחומרים המזינים translocating במהירות שיפה עבור תחבורה נוספות1. תגובות פלסטיות יכולה להשתנות בין צמח מינים או אחרים2,3 , בהתאם את הטופס הכימי של חומר מזין מעורב4,5. וריאציה של השורש פלסטיות לבחון עוד יותר, כמו הבנת שורש מורכבים התגובות משאבי הקרקע הטרוגנית יכול ליידע הרבייה ואסטרטגיות ניהול כדי להגדיל את יעילות חומר מזין בחקלאות.
למרות הצורך שלה רלוונטיות עבור המערכות של מפעל הבנה, להמחיש וכימות שורש פלסטיות-סולמות הרלוונטיים מציב אתגרים טכניים. סטטורי הכתר שורש מן האדמה (“shovelomics”6) היא שיטה נפוצה, אבל השורשים בסדר לנצל נקבוביות קטנות בין קרקע אגרגטים, חפירה, מה שכמובן מוביל במידה מסוימת של אובדן של שורשים אלה שבירים. יתר על כן, קציר הרסני מקל אפשר לעקוב אחר שינויים במערכת השורש אחת לאורך זמן. ב באתרו שיטות הדמיה כגון טומוגרפיה הממחושבת טומוגרפיה אפשר פריט חזותי ישיר של שורשים, משאבי הקרקע רזולוציה מרחבית גבוהה7, אבל הם יקרים, דורשים ציוד מיוחד. ניסויים הידרופוני להימנע אילוצים הקשורים חילוץ שורשים בקרקע, אך השורש מורפולוגיה ואדריכלות נבדלים מדיה מימית בהשוואה אילוצי מכני והמורכבות ביופיזיקלי של קרקעות8,9. לבסוף, תהליכי rhizosphere ופונקציות לא יכול להיות משולב עם פלסטיות התפתחותית בתקשורת מלאכותיים אלה.
אנו מציגים פרוטוקול בנייה ושימוש rhizoboxes (צר, נקי-צידי מלבני מכולות) כשיטה נמוכים, להתאמה אישית כדי לאפיין צמיחה השורש באדמה לאורך זמן. מסגרות שתוכנן במיוחד מעודדים שורשים לגדול מעדיפים נגד הלוח האחורי בשל gravitropism, הגדלת דיוק מדידות אורך הבסיס. Rhizoboxes משמשים ללמוד צמיחה השורש ו rhizosphere אינטראקציות10,11,12, אבל השיטה המובאת כאן מציע יתרון בפשטות עם עיצוב חד-תא וזולה חומרים, והוא נועד ללמוד שורש התגובות מזינים לשפות אחרות. עם זאת, השיטה יכול גם להיות מותאם ללמוד מגוון של תהליכים אחרים בסיס, rhizosphere למשל, תחרות “אינטרה” / המידע, התפוצה המרחבית של תרכובות כימיות, חיידקים או פעילות אנזים. כאן, אנחנו חוקרים genotypic הבדלים בין כלאיים תירס בתגובה טלאים של 15קטניות התווית על-ידי N שאריות והאר נציג תוצאות כדי לאמת את שיטת rhizobox.
Protocol
Representative Results
Discussion
Rhizoboxes המתוארות פרוטוקול זה יכול לשמש כדי לענות על השאלות מגוונים במדעי בסיס, rhizosphere, ומצאו מגוונות משתמשת במקום אחר10,20,21,22,23 , 24 , 25. איזה שימוש אוטומטית מערכות<sup cla…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצה להכיר הבודקים אנונימי משוב, שלהם, כמו גם ג’יי קהיל, טאן באו להדרכה ראשונית על פיתוח פרוטוקול rhizobox. מימון סופק על ידי הקרן מזון, למחקר חקלאי, המכון הלאומי אותנו המחלקה של חקלאות (USDA) מזון וחקלאות, חקלאי ניסוי תחנת CA הפרוייקט-D-PLS-2332-H, כדי הכללי ועל ידי מחלקת דיוויס UC של הצמח מדעי באמצעות מלגת י. ס
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).
