Mycorrhizal kort som et værktøj til at udforske koloniseringsmønstre og svampestrategier i rødderne af Festuca rubra og Zea mays
Summary
Protokollen her beskriver metoderne til vurdering af de arbuskulære mycorrhizal koloniseringsmønstre og strategi i rødder for to arter: Zea mays og Festuca rubra. Brugen af MycoPatt-metoden tillader beregning af parametre, omdannelse af mykorrhizastrukturer til digitale data og kortlægning af deres reelle position i rødder.
Abstract
Arbuskulære mycorrhizal svampe er symbionter i planternes rødder. Deres rolle er at opretholde værtsudvikling og opretholde den ernæringsmæssige ligevægt i økosystemerne. Koloniseringsprocessen er afhængig af flere faktorer som jordøkologi, svampens og værtens genetiske mangfoldighed og agronomisk praksis. Deres synkroniserede virkning fører til udviklingen af et komplekst hyphalnetværk og fører til sekundær udvikling af vesikler og arbuscules i rodcellerne. Formålet med denne forskning var at analysere effektiviteten af mycorrhizal mønstre (MycoPatt) metode til positionering af svampestrukturer i rødderne af Festuca rubra og Zea mays. Et andet mål var at udforske svampekoloniseringsstrategien som afsløret af mycorrhizalkort over hver art. Erhvervelsen og samlingen af flere mikroskopiske billeder tillader mycorrhizal koloniseringsvurdering i både majs- og rødsvingelplanter for at give information om den realistiske position af de udviklede strukturer. De observerede mykorrhizale mønstre fremhæver den variable effektivitet af hver plante med hensyn til at udvikle forbindelser med jordsymbiotiske svampe forårsaget af anvendte behandlinger og vækststadium. Mycorrhizal detaljerede kort opnået gennem MycoPatt-metoden er nyttige til tidlig påvisning af planteeffektivitet i symbiotisk erhvervelse fra jorden.
Introduction
Arbuskulære mycorrhiza (AM) svampe er en kategori af jordbårne endofytter, der konstant er et område af interesse for forskere. Deres tilstedeværelse i de fleste planters rødder og deres involvering i næringsstofcyklusser gør dem til vitale komponenter i stabiliteten af ethvert økosystem, hvor urteagtige planter er til stede 1,2. Gennem deres ekstra-radikulære mycelium fungerer AM som en svampeforlængelse for planterødder, især i svært tilgængelige områder3. Hovedaktiviteten er i værtsplanterødder, hvor AM udvikler store hyfernetværk og specifikke intracellulære strukturer kaldet arbuscules. Manglen på værtsspecificitet gør det muligt for symbionten at kolonisere flere arter på samme tid. Denne evne giver AM rollen som ressourceallokering og næringsstofregulering i økosystemet; svampen giver også støtte til planteoverlevelse og hjælper med plantens ydeevne 4,5,6,7. AM-arters reaktion på værtsrødder er synlig i forlængelsen og placeringen af det intraradikulære mycelium og tilstedeværelsen og formen af arbuscules udviklet intracellulært. De intracellulære arbuscules fungerer som et udvekslingspunkt mellem de to symbionter og repræsenterer områder præget af hurtige overførselsprocesser. De strukturer, som AM producerer, er artsafhængige, og ud over arbuscules i rødderne udvikler de også vesikler, sporer og hjælpeceller.
Der er mange udfordringer i vurderingen af AM-symbionter i planterødder 8,9. Den første er deres konstante udvikling i hele vegetationsperioden for værter, hvilket fører til flere ændringer i hyphal arbuskulær struktur. De forskellige stadier af arbuskulær vækst, op til deres sammenbrud, er tydeligt til stede i rødder, men de senescent AM-strukturer fordøjes undertiden, hvilket gør dem kun delvist synlige10. Den anden udfordring er repræsenteret af farvningsmetoden og protokollen, den store mangfoldighed af rodsystemer, dimensionen af deres celler og forskellene i tykkelse, hvilket gør det svært at foreslå en samlet metode. Den sidste udfordring er repræsenteret ved vurdering og scoring af AM-kolonisering. Der er mange metoder, der scorer AM med forskellige grader af objektivitet, og de fleste af dem er stadig begrænset til mikroskopiteknikker. De enkle er baseret på tilstedeværelsen / fraværet af strukturer i rodbarken, mens de mere komplekse er baseret på visuel scoring og brugen af koloniseringsklasser med integration af hyppigheden og intensiteten af koloniseringsfænomenet. Der er produceret mange data i de sidste årtier om mycorrhizal status for flere arter, men de fleste af metoderne er begrænset til den observerede værdi af kolonisering uden at pege på den reelle position af hver struktur i rodbarken. Som et svar på nødvendigheden af mere nøjagtige resultater om AM-kolonisering blev der udviklet en metode baseret på mikroskopisk analyse af mycorrhizale mønstre (MycoPatt) i rødder til at samle de detaljerede mycorrhizalkort i digital form11. Metoden tillader også den objektive beregning af koloniseringsparametre og bestemmelsen af den faktiske position af hver struktur i roden.
Placeringen af AM-svampestrukturerne kan være vigtig for at besvare følgende to spørgsmål. Den første er relateret til analysen af koloniseringen i et bestemt øjeblik fra vegetationscyklussen af en plante. I denne sammenhæng er det meget nyttigt at observere den arbuskulære / vesikel overflod, rapportere, hvordan de er placeret i roden, og give et meget klart koloniseringsbillede og parametre. Den anden er relateret til påvisning af svampestrategi og dens orientering og endda prognosen for dens fremtidige udvikling. En anvendelse af MycoPatt kan være til planter, der analyseres dagligt, hver 2-3 dage, ugentligt eller under forskellige vækststadier. I denne sammenhæng er placeringen af vesikler / arbuscules vigtig for bedre at forstå den biologiske mekanisme for AM-kolonisering. Disse parametre og observationer er meget nyttige til at supplere de matematiske parametre.
Formålet med denne artikel er at demonstrere MycoPatt-systemets evne til at udforske det oprindelige AM-svampekoloniseringspotentiale og strategi i Zea mays (majs) rødder i forskellige udviklingsstadier og i Festuca rubra (rød svingel) rødder under forskellige langsigtede befrugtningsbetingelser. For at opfylde målet blev to store databaser fra to eksperimenter analyseret. Majseksperimentet blev etableret ved Cojocna (46°44′56″ lat. N og 23°50′0″ lang. E), i den eksperimentelle didaktiske gård ved University of Agricultural Sciences and Veterinary Medicine Cluj på et phaeoziom med en leragtig teksturjord12. Rødsvingeleksperimentet er en del af et større forsøgssted, der blev etableret i 2001 i Ghețari, Apuseni-bjergene (46°49’064″ lat. N og 22°81’418” lang. E), på en preluvosol (terra rossa) jordtype13,14. Majs blev samlet i fem forskellige vækstfænofaser12: B1 = 2-4 blade (som kontrolpunkt for starten af mycorrhizal kolonisering); B2 = 6 blade; B3 = 8-10 blade; B4 = kolbdannelse; B5 = fysiologisk modenhed. Fra 2-4 blade trin (A0) blev der anvendt en organisk behandling, hvilket resulterede i en to-gradueringsfaktor (A1 = kontrol og A2 = behandlet). Rødder af rødsvingel blev indsamlet ved blomstring fra et forsøg med fem langtidsbefrugtninger13,14: V1 = kontrol, ikke-befrugtet; V2 = 10 t·ha-1 gødning; V3 = 10 t·ha-1 husdyrgødning + N 50 kg·ha-1, P 2 O5 25 kg·ha-1, K2O 25 kg·ha-1; V4 = N 100 kg·ha-1, P 2 O5 50 kg·ha-1, K2O 50 kg·ha-1; V5 = 10 t·ha-1 husdyrgødning + N 100 kg·ha-1, P 2 O5 50 kg·ha-1, K2O 50 kg·ha-1. Fem planter blev indsamlet i hvert udviklingsstadium fra hver befrugtningsvariant. Farvningsprotokollerne og deres ydeevne med hensyn til prøvebehandlingstid og farvningskvalitet blev analyseret. Forholdet mellem AM-hyferudvikling og tilstedeværelsen af dets strukturer i rødder blev analyseret separat for hver art og fortsatte med identifikationen af de mest tilladelige rødder til kolonisering. De specifikke koloniseringsmønstre for hvert rodsystem blev analyseret baseret på koloniseringskort og værdien af AM-parametre.
Majs er en årlig plante, hvilket indebærer kontinuerlig vækst af rødderne, og det var hovedårsagen til at anvende MycoPatt i vækststadierne. Rødsvingel er en flerårig plante fra et græsareal behandlet i lang tid med forskellige gødninger. Dens rødder har en kortere udvikling på 1 år, og anthesis betragtes som vegetationspunktet, når planten ændrer sit stofskifte fra vegetativ til generativ. For at fange disse planter i disse intense aktivitetsperioder blev ovennævnte tidspunkter valgt. Prøveudtagning i vegetationsperioden er vanskelig for denne art, når den dyrkes i naturlige græsarealer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Undersøgelser af mycorrhizal kolonisering er afgørende for ny strategiudvikling på det agronomiske område. Potentialet for flere dyrkede planter til at danne en symbiotisk tilknytning til arbuskulære mycorrhizas gjorde dem til en vigtig komponent i agroøkosystemets bæredygtige udvikling og opretholdelsen af dets sundhed 16,17,18,19,20. Der er således b…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette papir bruger data fra to ph.d.-undersøgelser inden for det tematiske område af “Corn Mycorrhizal Patterns Driven by Agronomic Inputs”, udført af Victoria Pop-Moldovan, og “Mycorrhizal Status and Development of Colonization in Mountain Grassland Dominant Species”, udført af Larisa Corcoz, under koordinering af prof. Dr. Roxana Vidican.
Materials
| Apple vinegar 5% | FABRICA DE CONSERVE RAURENI S.R.L. | OȚET DE MERE | https://www.raureni.ro/ro-ro/produs/otet-de-mere |
| Blue Ink | Pelikan | 4001 | https://www.pelikan.com/pulse/Pulsar/ro_RO.Store.displayStore.224848./cerneal%C4%83-4001-de-la-pelikan |
| Cover slips | Menzel-Glaser | D 263 M | https://si.vwr.com/store/product/20545757/cover-glasses-menzel-glaser |
| Forceps, PMP | Vitalab | 9.171 411 | http://shop.llg.de/info881_Forceps_PMP_lang_UK. htm?UID=55005bf838d8000000000000 &OFS=33 |
| Glass jar 47 mL | Indigo Cards | BORCAN 47 ML HEXAGONAL | https://indigo.com.ro/borcan-47-ml-hexagonal |
| Laminating Pouches | Peach | PP525-08 | Business Card (60x90mm) / https://supremoffice.ro/folie-laminare-60x90mm-125mic-carte-vizita-100-top-peach-pp525-08-510328 |
| Microflow Class II ABS Cabinet | Bioquell UK Ltd | Microflow Class II ABS Cabinet | http://www.laboratoryanalysis.co.uk/graphics/products/034_11%20CLASS%202BSC%20(STD).pdf |
| Microscope slides | Deltalab | D100001 | https://distrimed.ro/lame-microscop-matuite-la-un-capat-26×76-mm-deltalab/?utm_source=Google%20Shopping&utm_campaign= google%20shopping%20distrimed&utm_medium=cpc& utm_term=1647&gclid=CjwKCAjwu YWSBhByEiwAKd_n_odzr8CaCXQ hl9VQkAB3p-ODo2Ssuou9cnoRtz1Gb xsjqPY7F05HmhoCj6oQAvD_BwE |
| Microsoft Office 365 | Microsoft | Office 365 | Excel and Powerpoint; spreadsheet and presentation |
| NaOH | Oltchim | 01-2119457892-27-0065 | http://www.sodacaustica.com.ro/pdf/fisa-tehnica-soda-caustica.pdf |
| Nitrile gloves | SemperGuard | 816780637 | https://www.sigmaaldrich.com/RO/en/product/aldrich/816780637?gclid=CjwKCAjwuYWSBhByEiwAKd _n_rmo4RRt8zBql7ul8ox AAYhwhxuXHWZcw4hlR x0Iro_4IyVt69aFHRoCmd wQAvD_BwE |
| Optika camera | OPTIKA | CP-8; P8 Pro Camera, 8.3 MP CMOS, USB 3.0 | https://www.optikamicroscopes.com/optikamicroscopes/product/c-p-series/ |
| Optika Microscope | OPTIKA | B383pL | https://www.optikamicroscopes.com/optikamicroscopes/product/b-380-series/ |
| Protective mask FFP3 | Hermes Gift | HERMES000100 | EN 149-2001+A1:2009 / https://www.emag.ro/set-10-masti-de-protectie-respiratorie-hermes-gift-ffp3-5-straturi-albe-hermes000100/pd/DTZ8CXMBM/#specification-section |
| Scalpel | Cutfix | 9409814 | https://shop.thgeyer-lab.com/erp/catalog/search/search.action;jsessionid=C258CA 663588CD1CBE65BF 100F85241B?model.query=9409809 |
| White wine vinegar 9% | FABRICA DE CONSERVE RAURENI S.R.L. | OȚET DE VIN ALB | https://www.raureni.ro/ro-ro/produs/otet-de-vin-alb |
References
- Trivedi, P., Leach, J. E., Tringe, S. G., Sa, T., Singh, B. K. Plant-microbiome interactions: From community assembly to plant health. Nature Reviews Microbiology. 18 (11), 607-621 (2020).
- Jeffries, P., Barea, J. M., Hock, B. 4 Arbuscular Mycorrhiza: A Key Component of Sustainable Plant-Soil Ecosystems. The Mycota. IX Fungal Associations. , 51-75 (2012).
- Parniske, M. Arbuscular mycorrhiza: the mother of plant root endosymbioses. Nature Reviews Microbiology. 6 (10), 763-775 (2008).
- Gianinazzi, S., et al. Agroecology: The key role of arbuscular mycorrhizas in ecosystem services. Mycorrhiza. 20 (8), 519-530 (2010).
- Lee, E. -. H., Eo, J. -. K., Ka, K. -. H., Eom, A. -. H. Diversity of arbuscular mycorrhizal fungi and their roles in ecosystems. Mycobiology. 41 (3), 121-125 (2013).
- Zhang, Y., Zeng, M., Xiong, B., Yang, X. Ecological significance of arbuscular mycorrhiza biotechnology in modern agricultural system. Ying Yong Sheng Tai Xue Bao = The Journal of Applied Ecology. 14 (4), 613-617 (2003).
- Shah, A. A., et al. Effect of endophytic Bacillus megaterium colonization on structure strengthening, microbial community, chemical composition and stabilization properties of Hybrid Pennisetum. Journal of the Science of Food and Agriculture. 100 (3), 1164-1173 (2020).
- Souza, T. . Handbook of Arbuscular Mycorrhizal Fungi. , (2015).
- Sun, X. -. G., Tang, M. Comparison of four routinely used methods for assessing root colonization by arbuscular mycorrhizal fungi. Botany. 90 (11), 1073-1083 (2012).
- Smith, S., Read, D., Smith, S. E., Read, D. J. Colonization of Roots and Anatomy of Arbuscular Mycorrhiza. Mycorrhizal Symbiosis. , 42-90 (2008).
- Stoian, V., et al. Sensitive approach and future perspectives in microscopic patterns of mycorrhizal roots. Scientific Reports. 9 (1), 10233 (2019).
- Pop-Moldovan, V., et al. Divergence in corn mycorrhizal colonization patterns due to organic treatment. Plants. 10 (12), 2760 (2021).
- Corcoz, L., et al. Mycorrhizal patterns in the roots of dominant Festuca rubra in a high-natural-value grassland. Plants. 11 (1), 112 (2021).
- Corcoz, L., et al. Deciphering the colonization strategies in roots of long-term fertilized Festuca rubra. Agronomy. 12 (3), 650 (2022).
- Stoian, V., Florian, V. Mycorrhiza – Benefits, influence, diagnostic method. Bulletin of University of Agricultural Sciences and Veterinary Medicine Cluj-Napoca. Agriculture. 66 (1), 2009 (2009).
- Prates Júnior, P., et al. Agroecological coffee management increases arbuscular mycorrhizal fungi diversity. PLoS One. 14 (1), 0209093 (2019).
- Rillig, M. C., et al. Why farmers should manage the arbuscular mycorrhizal symbiosis. New Phytologist. 222 (3), 1171-1175 (2019).
- Rillig, M. C., et al. Towards an integrated mycorrhizal technology: Harnessing mycorrhiza for sustainable intensification in agriculture. Frontiers in Plant Science. 7, 1625 (2016).
- Bhale, U. N., Bansode, S. A., Singh, S., Gehlot, P., Singh, J. Multifactorial Role of Arbuscular Mycorrhizae in Agroecosystem. Fungi and their Role in Sustainable Development: Current Perspectives. , 205-220 (2018).
- Khaliq, A., et al. Integrated control of dry root rot of chickpea caused by Rhizoctonia bataticola under the natural field condition. Biotechnology Reports. 25, 00423 (2020).
- Vaida, I., Păcurar, F., Rotar, I., Tomoș, L., Stoian, V. Changes in diversity due to long-term management in a high natural value grassland. Plants. 10 (4), 739 (2021).
- . The International Collection of (Vesicular) Arbuscular Mycorrhizal Fungi Available from: https://invam.wvu.edu/collection (2022)
- . The International Bank for the Glomeromycota Available from: https://www.i-beg.eu/ (2022)
