Mykorrhizakartor som ett verktyg för att utforska koloniseringsmönster och svampstrategier i rötterna till Festuca rubra och Zea mays
Summary
Protokollet beskriver här metoderna för bedömning av de arbuskulära mykorrhizakoloniseringsmönstren och strategin i rötter för två arter: Zea mays och Festuca rubra. Användningen av MycoPatt-metoden möjliggör beräkning av parametrar, omvandling av mykorrhizastrukturer till digitala data och kartläggning av deras verkliga position i rötter.
Abstract
Arbuskulära mykorrhizasvampar är symbionter i växternas rötter. Deras roll är att upprätthålla värdutveckling och upprätthålla näringsjämvikten i ekosystemen. Koloniseringsprocessen är beroende av flera faktorer som markekologi, svamparnas och värdens genetiska mångfald och agronomiska metoder. Deras synkroniserade verkan leder till utvecklingen av ett komplext hyphalnätverk och leder till sekundär utveckling av vesiklar och arbuscules i rotcellerna. Syftet med denna forskning var att analysera effektiviteten hos mykorrhizamönstren (MycoPatt) för positionering av svampstrukturer i rötterna till Festuca rubra och Zea mays. Ett annat mål var att utforska svampkoloniseringsstrategin som avslöjas av mykorrhizakartor över varje art. Förvärvet och monteringen av flera mikroskopiska bilder möjliggör mykorrhizal koloniseringsbedömning i både majs- och rödsvingelväxter för att ge information om den realistiska positionen för de utvecklade strukturerna. De observerade mykorrhizamönstren belyser den variabla effektiviteten hos varje växt när det gäller att utveckla förbindelser med jordsymbiotiska svampar, orsakade av applicerade behandlingar och tillväxtstadium. Mycorrhizal detaljerade kartor erhållna genom MycoPatt-metoden är användbara för tidig upptäckt av växteffektivitet vid symbiotisk förvärv från jorden.
Introduction
Arbuskulära mycorrhiza (AM) svampar är en kategori av jordburna endofyter som ständigt är ett intresseområde för forskare. Deras närvaro i rötterna hos de flesta växter och deras engagemang i näringscykler gör dem till viktiga komponenter i stabiliteten i varje ekosystem där örtartade växter finns 1,2. Genom sitt extraradikulära mycelium fungerar AM som en svampförlängning för växtrötter, särskilt i svåråtkomliga områden3. Huvudaktiviteten är i värdväxtrötter, där AM utvecklar stora hyphae-nätverk och specifika intracellulära strukturer som kallas arbuscules. Bristen på värdspecificitet gör det möjligt för symbionten att kolonisera flera arter samtidigt. Denna förmåga ger AM rollen som resursallokering och näringsreglering i ekosystemet; Svampen ger också stöd i växtöverlevnad och hjälper till med växtprestanda 4,5,6,7. Reaktionen av AM-arter på värdrötter är synlig i förlängningen och placeringen av det intraradikulära myceliet och närvaron och formen av arbuskulerna utvecklas intracellulärt. De intracellulära arbuskulerna fungerar som en utbytespunkt mellan de två symbionterna och representerar områden som kännetecknas av snabba överföringsprocesser. Strukturerna som AM producerar är artberoende, och förutom arbuscules, i rötterna, utvecklar de också vesiklar, sporer och hjälpceller.
Det finns många utmaningar i bedömningen av AM-symbionter i växtrötter 8,9. Den första är deras ständiga utveckling under hela vegetationsperioden för värdar, vilket leder till flera förändringar i hyphal-arbuskulära strukturen. De olika stadierna av arbuskulär tillväxt, fram till deras kollaps, är tydligt närvarande i rötter, men de senescenta AM-strukturerna smälts ibland, vilket gör dem endast delvis synliga10. Den andra utmaningen representeras av färgningsmetoden och protokollet, den stora mångfalden av rotsystem, dimensionen av deras celler och skillnaderna i tjocklek, vilket gör det svårt att föreslå en enhetlig metod. Den sista utmaningen representeras av bedömningen och poängsättningen av AM-kolonisering. Det finns många metoder som poängsätter AM med olika grader av objektivitet, och de flesta av dem är fortfarande begränsade till mikroskopitekniker. De enkla är baserade på närvaron / frånvaron av strukturer i rotbarken, medan de mer komplexa är baserade på visuell poängsättning och användning av koloniseringsklasser, med integrationen av koloniseringsfenomenets frekvens och intensitet. Mycket data har producerats under de senaste decennierna om mykorrhizastatusen för flera arter, men de flesta metoderna är begränsade till det observerade värdet av kolonisering utan att peka på den verkliga positionen för varje struktur i rotbarken. Som ett svar på nödvändigheten av mer exakta resultat på AM-kolonisering utvecklades en metod baserad på mikroskopisk analys av mykorrhizamönster (MycoPatt) i rötter för att i digital form montera de detaljerade mykorrhizakartorna11. Metoden möjliggör också den objektiva beräkningen av koloniseringsparametrar och bestämningen av den faktiska positionen för varje struktur i roten.
Positionen för AM-svampstrukturerna kan vara viktig för att svara på följande två frågor. Den första är relaterad till analysen av koloniseringen i ett specifikt ögonblick från en växts vegetationscykel. I detta sammanhang är det mycket användbart att observera arbuskulära / vesikelöverflödet, rapportera hur de ligger i roten och ge en mycket tydlig koloniseringsbild och parametrar. Den andra är relaterad till detektering av svampstrategi och dess orientering och till och med prognosen för dess framtida utveckling. En applikation av MycoPatt kan vara för växter som analyseras dagligen, var 2-3: e dag, varje vecka eller under olika tillväxtstadier. I detta sammanhang är placeringen av vesiklarna/arbuskulerna viktig för att bättre förstå den biologiska mekanismen för AM-kolonisering. Dessa parametrar och observationer är mycket användbara för att komplettera de matematiska parametrarna.
Syftet med denna artikel är att demonstrera MycoPatt-systemets förmåga att utforska den inhemska AM-svampens koloniseringspotential och strategi i Zea mays (majs) rötter under olika utvecklingsstadier och i Festuca rubra (röd svängning) rötter under olika långsiktiga befruktningsförhållanden. För att uppfylla syftet analyserades två stora databaser från två experiment. Majsexperimentet etablerades vid Cojocna (46°44′56″ lat. N och 23°50′0″ långt. E), i den experimentella didaktiska gården vid universitetet för jordbruksvetenskap och veterinärmedicin Cluj på ett phaeoziom med en lerig konsistensjord12. Rödsvingelexperimentet är en del av en större experimentplats som etablerades 2001 i Ghețari, Apusenibergen (46°49’064″ lat. N och 22°81’418” lång. E), på en preluvosol (terra rossa) jordtyp13,14. Majs samlades i fem olika tillväxtfenofaser12: B1 = 2-4 löv (som kontrollpunkt för början av mykorrhizakolonisering); B2 = 6 löv; B3 = 8-10 löv; B4 = cobbildning; B5 = fysiologisk mognad. Från och med 2-4 lövstadiet (A0) applicerades en organisk behandling, vilket resulterade i en tvågraderingsfaktor (A1 = kontroll och A2 = behandlad). Rötter av rödsvingel samlades vid blomningen från ett experiment med fem långsiktiga befruktningar13,14: V1 = kontroll, icke-befruktad; V2 = 10 t·ha-1 gödsel; V3 = 10 t·ha-1 gödsel + N 50 kg·ha-1, P2O5 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 gödsel + N 100 kg·ha-1, P 2 O5 50 kg·ha-1, K2O 50 kg·ha-1. Fem växter samlades in i varje utvecklingssteg från varje befruktningsvariant. Färgningsprotokollen och deras prestanda när det gäller provbehandlingstid och färgkvalitet analyserades. Förhållandet mellan AM-hyphae-utveckling och närvaron av dess strukturer i rötter analyserades separat för varje art och fortsatte med identifieringen av de mest tillåtna rötterna för kolonisering. De specifika koloniseringsmönstren för varje rotsystem analyserades baserat på koloniseringskartor och värdet på AM-parametrar.
Majs är en årlig växt, vilket innebär kontinuerlig tillväxt av rötterna, och det var den främsta anledningen till att applicera MycoPatt i odlingsstadierna. Rödsvingel är en flerårig växt från en gräsmark som behandlats under lång tid med olika gödningsmedel. Dess rötter har en kortare utveckling på 1 år, och antesen betraktas som vegetationspunkten när växten ändrar sin ämnesomsättning från vegetativ till generativ. För att fånga dessa växter under dessa intensiva aktivitetsperioder valdes ovannämnda tidpunkter. Provtagning under vegetationsperioden är svår för denna art när den odlas i naturliga gräsmarker.
Protocol
Representative Results
Discussion
Studier om mykorrhizakolonisering är avgörande för ny strategiutveckling inom det agronomiska området. Potentialen hos flera odlade växter att bilda en symbiotisk förening med arbuskulära mykorrhizas gjorde dem till en viktig komponent i agroekosystemets hållbara utveckling och upprätthållandet av dess hälsa 16,17,18,19,20. Således finns det ett be…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna uppsats använder data som härrör från två doktorandstudier inom temaområdet “Corn Mycorrhizal Patterns Driven by Agronomic Inputs”, utförd av Victoria Pop-Moldovan, och “Mycorrhizal Status and Development of Colonization in Mountain Grassland Dominant Species”, utförd av Larisa Corcoz, under samordning 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)
