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Environnement

根の生長およびローカライズされた栄養素に対する反応性を可視化する最適化された Rhizobox プロトコル

Published: October 22, 2018
doi:
10.3791/58674
, ,
1Department of Plant Sciences,University of California at Davis, 2Department of Natural Resources and the Environment,University of New Hampshire

Summary

可視化とルート成長の in situ測定は非常に困難です。根の発育と栄養への応答に時間をかけて増殖を追跡するカスタマイズ可能な rhizobox 法を提案します。このメソッドを使用して、ルート可塑性有機窒素源への応答でのトウモロコシの品種間差異を分析します。

Abstract

根が研究し悪名高くにくいです。土壌は両方視覚的・機械的障壁、困難を追跡するルーツをその場で破壊的な収穫や高価な機器なし。時間をかけて根の成長の非破壊的な描出が可能で、ローカライズされたリソースのパッチに対してルート可塑性の勉強に特に適しているカスタマイズ可能な手頃な価格の rhizobox 法を提案します。メソッドは、塑性応答に15N 標識マメ科植物残渣を含むパッチのトウモロコシの品種間差異を評価することによって検証されました。メソッドは、時間の経過とともに代表的な発育測定を取得、リソースを含む、コントロールのパッチで根長密度を測定、ルート成長率を計算する、植物の根およびシュートで15N 回復を決定するように記載されています。利点、注意点、およびメソッドの潜在的な将来のアプリケーション、また説明します。実験条件は、ルート成長データないバイアスを行うように注意する必要が、rhizobox プロトコルをここに提示することで、場合は十分な注意を払って実施の信頼性の高い結果が得られます。

Introduction

しばしば見過ごされているが地上相手に比べると、根植物栄養素獲得の重要な役割を果たします。ルート建設と保守の実質的な炭素コストを考えると、植物は根だけで投資価値がある採餌を開発するメカニズムを展開させた。ルート システム従って効率的かつ動的に採掘できますリソース パッチ摂取量及びさらなる輸送1師部を急速に通過栄養素の骨折率、ホット スポットの増殖によって。塑性応答は、植物の種や遺伝子型2,3と栄養関係4、5の化学形態によって広く変えることが。ルート可塑性の変化はさらに、複雑なルート異種土壌資源レスポンス通知繁殖および農業の栄養素利用効率を高める経営戦略の理解検討必要があります。

にもかかわらず、その必要性と植物システムの解明のための関連性、可視化と関連する縮尺ルート可塑性を定量化は様々 な技術的課題です。一般的な方法は、(“shovelomics”6) 土壌から根クラウンを発掘、細根が土壌団粒の間に小さな孔を悪用する発掘必然的につながるこれらの壊れやすい根の損失のいくつかの程度に。また、破壊的な収穫の場合、時間をかけて 1 つのルート システムの変更を追跡することは不可能になります。その場x 線トモグラフィーなどのイメージング方法高空間分解能7根と土壌資源の直接可視化を許可するが、高く、特殊な装置を必要とします。水耕栽培実験は、土壌から根の抽出に関連付けられている制約を避けるため、機械的な制約と土8,9の生物物理学的複雑さと比較して水溶液中における根の形態と建築とは異なります。最後に、根の生理作用と機能は、これらの人工メディアの発育的可塑性に統合できません。

建設時間をかけて土壌で根の成長を特徴付けるための低コストでカスタマイズ可能な方法として rhizoboxes (狭い、クリア両面長方形容器) の使用のためのプロトコルを提案します。特別に設計されたフレームは、重力屈性、ルートの長さの測定の精度を高めるため背面パネルに対して優先的に成長する根をお勧めします。Rhizoboxes は根の生長と根圏相互作用10、11,12、研究に使われているが、ここで紹介した方法では、単一コンパートメント デザインと安価なシンプルさの利点材料、ルート レスポンス ローカライズされた栄養素を勉強する設計されています。ただし、メソッドは、適応イントラ/種間競争などの他のルート、根プロセスの範囲、化学物質、微生物、酵素活性の分布を研究する可能性があります。ここでは、 15N 標識マメ残渣とハイライト代表結果 rhizobox メソッドを検証するためのパッチに応答トウモロコシ品種間で品種間差を調べた。

Protocol

1. フロントと背面パネルとスペーサーの準備 前面と背面パネルを準備します。 40.5 cm 幅 61 cm 明確な 0.635 cm 厚いアクリルのカット 2 枚 1 箱かまたはカット済み作品 (材料の表を参照) を購入します。 アクリル用ドリル刃を使用すると、ドリル穴直径 1.3 cm で上から 53.3 cm、38、19 2.5 側縁から 0.635 cm。2.5、20.3、左側にある (図 1) から 38 cm?…

Representative Results

根は、予想通り、ボックスの背面に対して優先的に育った。合計 〜 400、ボックスの前面に 93 758 cm と比べて、1,956 cm ボックスの背面根長をトレースします。スキャンした根長と、ボックスの背面のボックスの前面にトレースされた根長と一対ピアソンの相関係数を求めたし、フロントとバックの合計が正確にトレースすると、総根長が反映されているかを決定に使用…

Discussion

根と根圏科学の様々 な質問にお答えし、多様な使用場所10,20,21,22,23を発見したこのプロトコルで記述されている rhizoboxes を使用できます。,24,25. 他の研究者は、rhizoboxes21,25<su…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

著者は、j. c. ケーヒルと同様、彼らのフィードバック、匿名で審査とタン Bao rhizobox プロトコルの開発の初期指導のためたいと思います。食品と農業研究、食と農、農業試験場のプロジェクト カリフォルニア州-D-PLS-2332-H に a. g. の米国部門の農務省 (USDA) の国立研究所の基礎、UC デイビス科植物に提供された資金J. s. に親睦を通じて科学

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
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References

  1. Hodge, A. Roots: The Acquisition of Water and Nutrients from the Heterogeneous Soil Environment. Progress in Botany 71. , 307-337 (2010).
  2. 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).
  3. Zhang, H., Forde, B. G. An Arabidopsis MADS box gene that controls nutrient-induced changes in root architecture. Science. 279 (5349), 407-409 (1998).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Hewitt, E. J. . Sand and Water Culture Methods Used in the Study of Plant Nutrition. , (1966).
  13. 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).
  14. 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).
  15. McNear, D. H. The Rhizosphere – Roots, Soil, and Everything In Between. Nature Education Knowledge. 4 (3), 1 (2013).
  16. Ortas, I. Determination of the extent of rhizosphere soil. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 28 (19-20), 1767-1776 (1997).
  17. . Carbon (13C) and Nitrogen (15N) Sample Preparation Available from: https://stableisotopefacility.ucdavis.edu/13cand15nsamplepreparation.html (2018)
  18. Barraclough, D. 15N isotope dilution techniques to study soil nitrogen transformations and plant uptake. Fertilizer research. 42 (1-3), 185-192 (1995).
  19. Belter, P. R., Cahill, J. F. Disentangling root system responses to neighbours: identification of novel root behavioural strategies. AoB PLANTS. 7, (2015).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Wu, J., et al. RhizoChamber-Monitor: a robotic platform and software enabling characterization of root growth. Plant Methods. 14 (1), 44 (2018).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Zhang, Y. L., Wang, Y. S. Soil enzyme activities with greenhouse subsurface irrigation. Pedosphere. 16 (4), 512-518 (2006).
  34. 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).
  35. Lobet, G., Draye, X. Novel scanning procedure enabling the vectorization of entire rhizotron-grown root systems. Plant Methods. 9, 1 (2013).
  36. Swarup, R., Wells, D. M., Bennett, M. J. Root Gravitropism. Plant Roots: The Hidden Half. , (2013).
  37. Smit, A. L., Bengough, A. G., Engels, C., van Noordwijk, M., Pellerin, S., van de Geijn, S. C. . Root Methods: A Handbook. , (2000).
  38. 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).
  39. 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).

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RhizoboxRoot GrowthLocalized NutrientsRoot And Rhizosphere ScienceNon-invasive MeasurementsSoilAcrylic PanelsPolyester PaddingPolyethylene SheetsPVC FrameSoil-sand SubstrateNitrogen Source
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Citer Cet Article
Schmidt, J. E., Lowry, C., Gaudin, A. C. An Optimized Rhizobox Protocol to Visualize Root Growth and Responsiveness to Localized Nutrients. J. Vis. Exp. (140), e58674, doi:10.3791/58674 (2018).
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