Mycorrhizal Maps som et verktøy for å utforske koloniseringsmønstre og soppstrategier i røttene til Festuca rubra og Zea mays
Summary
Protokollen beskriver her metodene for vurdering av arbuscular mycorrhizal koloniseringsmønstre og strategi i røtter for to arter: Zea mays og Festuca rubra. Bruken av MycoPatt-metoden tillater beregning av parametere, konvertering av mykorrhizalstrukturer til digitale data og kartlegging av deres virkelige posisjon i røtter.
Abstract
Arbuscular mycorrhizal sopp er symbionter i plantens røtter. Deres rolle er å opprettholde vertsutvikling og opprettholde næringsbalansen i økosystemene. Koloniseringsprosessen er avhengig av flere faktorer som jordøkologi, det genetiske mangfoldet av sopp og vert, og agronomisk praksis. Deres synkroniserte handling fører til utvikling av et komplekst hyphalnettverk og fører til sekundær utvikling av vesikler og arbuscules i rotcellene. Målet med denne undersøkelsen var å analysere effektiviteten av mycorrhizal mønstre (MycoPatt) -metoden for posisjonering av soppstrukturer i røttene til Festuca rubra og Zea mays. Et annet mål var å utforske soppkoloniseringsstrategien som avslørt av mykorrhizale kart over hver art. Oppkjøpet og samlingen av flere mikroskopiske bilder tillater mycorrhizal koloniseringsvurdering i både mais og røde fescue planter for å gi informasjon om den realistiske posisjonen til de utviklede strukturer. De observerte mykorrhizale mønstrene fremhever den variable effektiviteten til hver plante når det gjelder å utvikle forbindelser med jordsymbiotiske sopp, forårsaket av påførte behandlinger og vekststadium. Mycorrhizal detaljerte kart oppnådd gjennom MycoPatt-metoden er nyttige for tidlig påvisning av planteeffektivitet i symbiotisk oppkjøp fra jorda.
Introduction
Arbuscular mycorrhiza (AM) sopp er en kategori av jordbårne endofytter som stadig er et område av interesse for forskere. Deres tilstedeværelse i røttene til de fleste planter og deres engasjement i næringssykluser gjør dem til viktige komponenter i stabiliteten til hvert økosystem der urteaktige planter er til stede 1,2. Gjennom deres ekstra radikulære mycelium fungerer AM som en soppforlengelse for planterøtter, spesielt i vanskelig tilgjengelige områder3. Hovedaktiviteten er i vertsplanterøtter, hvor AM utvikler store hyfernettverk og spesifikke intracellulære strukturer kalt arbuscules. Mangelen på vertsspesifisitet gjør at symbionten kan kolonisere flere arter samtidig. Denne evnen gir AM rollen som ressursallokering og næringsregulering i økosystemet; Soppen gir også støtte i planteoverlevelse og hjelper til med planteytelse 4,5,6,7. Reaksjonen av AM-arter til vertsrøtter er synlig i forlengelsen og plasseringen av det intra-radikulære myceliet og tilstedeværelsen og formen av arbuskulene utviklet intracellulært. De intracellulære arbuskulene fungerer som et utvekslingspunkt mellom de to symbiontene og representerer områder preget av raske overføringsprosesser. Strukturene som AM produserer er artsavhengige, og i tillegg til arbuscules, i røttene, utvikler de også vesikler, sporer og hjelpeceller.
Det er mange utfordringer i vurderingen av AM-symbionter i planterøtter 8,9. Den første er deres konstante utvikling i hele vegetasjonsperioden for verter, noe som fører til flere endringer i hyphal arbuscular strukturen. De forskjellige stadiene av arbuskulær vekst, opp til deres sammenbrudd, er tydelig tilstede i røtter, men de senescent AM-strukturene blir noen ganger fordøyd, noe som gjør dem bare delvis synlige10. Den andre utfordringen er representert ved fargemetoden og protokollen, det store mangfoldet av rotsystemer, dimensjonen av cellene deres og forskjellene i tykkelse, noe som gjør det vanskelig å foreslå en enhetlig metode. Den siste utfordringen er representert ved vurdering og scoring av AM-kolonisering. Det er mange metoder som scorer AM med forskjellige grader av objektivitet, og de fleste av dem er fortsatt begrenset til mikroskopiteknikker. De enkle er basert på tilstedeværelse / fravær av strukturer i rotbarken, mens de mer komplekse er basert på visuell scoring og bruk av koloniseringsklasser, med integrering av frekvensen og intensiteten av koloniseringsfenomenet. Mye data har blitt produsert de siste tiårene om mykorrhizal status for flere arter, men de fleste metodene er begrenset til den observerte verdien av kolonisering uten å peke på den virkelige posisjonen til hver struktur i rotbarken. Som et svar på nødvendigheten av mer nøyaktige resultater på AM-kolonisering, ble en metode basert på mikroskopisk analyse av mykorrhizale mønstre (MycoPatt) i røtter utviklet for å montere, i digital form, de detaljerte mykorrhizale kartene11. Metoden tillater også objektiv beregning av koloniseringsparametere og bestemmelse av den faktiske posisjonen til hver struktur i roten.
Plasseringen av AM-soppstrukturene kan være viktig for å svare på følgende to spørsmål. Den første er relatert til analysen av koloniseringen i et bestemt øyeblikk fra vegetasjonssyklusen til en plante. I denne sammenheng er det veldig nyttig å observere arbuscular / vesikkel overflod, rapportere hvordan de befinner seg i roten, og gi et veldig klart koloniseringsbilde og parametere. Den andre er relatert til deteksjon av soppstrategi og dens orientering og til og med prognosen for fremtidig utvikling. En applikasjon av MycoPatt kan være for planter analysert daglig, hver 2-3 dager, ukentlig eller i ulike vekststadier. I denne sammenheng er plasseringen av vesiklene / arbuscules viktig for å bedre forstå den biologiske mekanismen for AM-kolonisering. Disse parametrene og observasjonene er svært nyttige for å supplere de matematiske parametrene.
Målet med denne artikkelen er å demonstrere MycoPatt-systemets evne til å utforske det opprinnelige AM-soppkoloniseringspotensialet og strategien i Zea mays (mais) røtter i forskjellige utviklingsstadier og i Festuca rubra (rød fescue) røtter under forskjellige langsiktige befruktningsforhold. For å oppfylle målet ble to store databaser fra to eksperimenter analysert. Maiseksperimentet ble etablert ved Cojocna (46°44′56″ lat N og 23°50′0″ langt. E), i eksperimentell didaktisk gård ved Universitetet for landbruksvitenskap og veterinærmedisin Cluj på et phaeoziom med en lammende teksturjord12. Det røde fescue-eksperimentet er en del av et større eksperimentelt område etablert i 2001 i Ghețari, Apuseni-fjellene (46 ° 49’064 ” lat N og 22 ° 81’418 ” lang. E), på en preluvosol (terra rossa) jordtype13,14. Mais ble samlet i fem forskjellige vekstfenofaser12: B1 = 2-4 blader (som et kontrollpunkt for starten av mykorrhizal kolonisering); B2 = 6 blader; B3 = 8-10 blader; B4 = cob formasjon; B5 = fysiologisk modenhet. Fra 2-4 bladstadiet (A0) ble det brukt en organisk behandling som resulterte i en tograderingsfaktor (A1 = kontroll og A2 = behandlet). Røtter av rød fescue ble samlet ved blomstring fra et eksperiment med fem langsiktige befruktninger13,14: V1 = kontroll, ikke-befruktet; V2 = 10 t ·ha-1 gjødsel; V3 = 10 t·ha-1 gjødsel + 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 gjødsel + N 100 kg·ha-1, P 2 O5 50 kg·ha-1, K2O 50 kg·ha-1. Fem planter ble samlet inn i hvert utviklingsstadium fra hver gjødslingsvariant. Fargeprotokollene og deres ytelse når det gjelder prøvebehandlingstid og kvalitet på farging ble analysert. Forholdet mellom AM-hyferutvikling og tilstedeværelsen av dens strukturer i røtter ble analysert separat for hver art og fortsatte med identifisering av de mest permissive røttene for kolonisering. De spesifikke koloniseringsmønstrene til hvert rotsystem ble analysert basert på koloniseringskart og verdien av AM-parametere.
Mais er en årlig plante, noe som innebærer kontinuerlig vekst av røttene, og det var hovedårsaken til å bruke MycoPatt i vekststadiene. Rød fescue er en flerårig plante fra et gressletter behandlet i lang tid med forskjellige gjødsel. Dens røtter har en kortere utvikling på 1 år, og anthesis betraktes som vegetasjonspunktet når planten endrer stoffskiftet fra vegetativ til generativ. For å fange disse plantene i løpet av disse intense aktivitetsperiodene ble de ovennevnte tidspunktene valgt. Prøvetaking i vegetasjonsperioden er vanskelig for denne arten når den vokser i naturlige gressletter.
Protocol
Representative Results
Discussion
Studier på mykorrhizal kolonisering er avgjørende for ny strategiutvikling i agronomisk felt. Potensialet til flere dyrkede planter for å danne en symbiotisk forening med arbuscular mycorrhizas gjorde dem til en viktig del av agroøkosystemets bærekraftige utvikling og vedlikehold av helsen 16,17,18,19,20. Dermed er det behov for en bedre forståelse av ko…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette papiret bruker data som følge av to Ph.D. studier i det tematiske området “Corn Mycorrhizal Patterns Driven by Agronomic Inputs”, utført av Victoria Pop-Moldovan, og “Mycorrhizal Status and Development of Colonization in Mountain Grassland Dominant Species”, utført av Larisa Corcoz, under koordinering av 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)
