En optimeret Rhizobox protokol til at visualisere rodvækst og lydhørhed over for lokaliserede næringsstoffer
Summary
Visualisere og måle rod vækst i situ er ekstremt udfordrende. Vi præsenterer en tilpasselig rhizobox metode til at spore rodudvikling og spredning over tid som reaktion på næringsstof berigelse. Denne metode bruges til at analysere majs genotypiske forskelle i roden plasticitet i svar til en organisk kvælstof kilde.
Abstract
Rødderne er notorisk vanskeligt at studere. Jorden er både et visuelt og mekanisk barriere, hvilket gør det vanskeligt at spore rødder i situ uden destruktiv høst eller dyrt udstyr. Vi præsenterer en tilpasselig og overkommelig rhizobox metode, der tillader ikke-destruktiv visualisering af rodvækst over tid og er særlig velegnet til at studere root plasticitet i svar til lokaliseret ressource patches. Metoden blev godkendt af vurderingen af majs genotypiske variation i plasticitet svar til patches indeholder 15N-mærket bælgplanter rester. Metoder er beskrevet at opnå repræsentative udviklingsmæssige målinger over tid, måle root længde tæthed i ressource-holdige og control patches, beregne root vækstrater og bestemme 15N inddrivelse af planternes rødder og skud. Fordele, forbehold og mulige fremtidige anvendelser af metoden er også drøftet. Selvom skal sørges for at sikre, at forsøgsbetingelser ikke bias rod vækstdata, giver rhizobox protokol præsenteres her pålidelige resultater hvis udført med tilstrækkelig opmærksomhed for detaljer.
Introduction
Selv ofte overset i forhold til deres overjordiske modparter, rødder spiller en afgørende rolle i anlægget næringsstof erhvervelse. Givet betydelige CO2 omkostningerne ved roden konstruktion og vedligeholdelse, har planter udviklet mekanismer for at udvikle rødder kun hvor fouragering er værd at investeringen. Rodsystem kan således effektivt og dynamisk mine ressource patches af prolifererende i hotspots, upregulating satser for optagelse og hurtigt translocating næringsstoffer til phloem for yderligere transport1. Plasticitet svar kan variere meget blandt plante arter og genotyper2,3 og afhængigt af den kemiske form af næringsstof involveret4,5. Variation i roden plasticitet bør undersøges yderligere, som forståelse komplekse root svar til heterogene jordressourcer kunne informere avl og strategier til at øge næringsstof i landbruget.
Trods sin nødvendighed og relevans for forståelse plante systemer giver visualisere og kvantificere root plasticitet i relevante målestoksforhold tekniske udfordringer. Udgravning root kronen fra jorden (“shovelomics”6) er en fælles metode, men fine rødder udnytte små porer mellem jordens aggregater, og udgravningen fører uundgåeligt til en vis grad af tabet af disse skrøbelige rødder. Derudover gør destruktive høst det umuligt at følge ændringer i én rodsystem over tid. In situ Billeddannende metoder f.eks X-ray beregnet tomografi tillade direkte visualisering af rødder og Jordressourcer på høj rumlige opløsning7, men er dyre og kræver specialudstyr. Hydroponiske eksperimenter undgå begrænsninger forbundet med udvinding rødder fra jorden, men roden morfologi og arkitektur er forskellige i vandige medier sammenlignet med mekaniske begrænsninger og Biofysisk kompleksitet af jord8,9. Endelig, rhizosfære processer og funktioner kan ikke integreres med udviklingsmæssige plasticitet i disse kunstige medier.
Vi præsenterer en protokol for konstruktionen og brugen af rhizoboxes (smalle, klare-sidet rektangulære containere) som en billig, tilpasselig metode til at karakterisere rodvækst i jord over tid. Specielt designede rammer tilskynder rødder vokser fortrinsvis mod bagpanelet på grund af gravitropism, øge nøjagtigheden af roden længde målinger. Rhizoboxes er almindeligt anvendt til at studere rodvækst og rhizosfære interaktioner10,11,12, men metoden præsenteres her tilbyder en fordel i enkelhed med sin single-rum design og billig materialer, og er designet til at studere root Reaktionerne oversatte næringsstoffer. Metoden kunne dog også være tilpasset til at studere en række andre rod- og rhizosfære processer som intra/interspecies konkurrence, rumlige fordeling af kemiske forbindelser, mikrober eller enzymaktivitet. Her, undersøger vi genotypiske forskelle blandt majshybrider svar til pletter af 15N-mærket bælgplanter rester og Fremhæv repræsentative resultater at validere metoden rhizobox.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den rhizoboxes, der er beskrevet i denne protokol kan bruges til at besvare forskellige spørgsmål i roden og rhizosfære videnskab, og har fundet forskellige bruger andetsteds10,20,21,22,23 , 24 , 25. andre forskere har fanget time-lapse billeder af rhizoboxes21<sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne anerkende anonym korrekturlæsere for deres feedback, samt J.C. Cahill og Tan Bao indledende vejledning om udvikling af rhizobox-protokollen. Finansieringen blev leveret af Foundation for fødevarer og landbrug forskning, os landbrugsministerium (USDA) National Institut for fødevarer og landbrug, landbrugs eksperiment Station projekt CA-D-PLS-2332-H, at A.G. og ved UC Davis afdeling af anlægget Sciences gennem et stipendium til J.S.
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).
