Ett optimerat Rhizobox protokoll att visualisera rottillväxt och lyhördhet för lokaliserade näringsämnen
Summary
Visualisera och mätning rot tillväxt i situ är extremt utmanande. Vi presenterar en anpassningsbar rhizobox metod för att spåra rotutveckling och spridning över tid i Svaren till näringsberikande. Denna metod används för att analysera majs genotypisk skillnader i roten plasticitet som svar på en organiskt kväve källa.
Abstract
Rötterna är notoriskt svåra att studera. Marken är både visuella och mekaniska hinder, vilket gör det svårt att spåra rötter i situ utan destruktiva skörd eller dyr utrustning. Vi presenterar en anpassningsbar och prisvärd rhizobox metod som tillåter icke-förstörande visualisering av rottillväxt över tid och är särskilt väl lämpad att studera rot plasticitet i svar till lokaliserade resurs patchar. Metoden validerades genom att bedöma majs genotypisk variation i plasticitet Svaren till patchar som innehåller 15N-märkt baljväxter rester. Metoder beskrivs att erhålla representativa utvecklingsmässiga mätningar över tid, mäta rot längd täthet i resurs-innehållande och kontroll fläckar, beräkna roten tillväxttakt och avgöra 15N återhämtning av växternas rötter och skott. Fördelar, varningar och potentiella framtida tillämpningar av metoden diskuteras också. Men var noga med att säkerställa att experimentella förhållanden inte bias rot tillväxtdata, ger protokollet rhizobox presenteras här tillförlitliga resultat om genomförts med tillräcklig uppmärksamhet på Detaljer.
Introduction
Även om ofta förbises jämfört med deras aboveground motsvarigheter, rötter spelar en avgörande roll i växten näringsämne förvärv. Tanke på den betydande kol kostnaden av roten uppbyggnad och underhåll, har växter utvecklats mekanismer för att utveckla rötter endast där födosök är värt investeringen. Rotsystem kan därmed effektivt och dynamiskt gruva resurs fläckar av frodas i hotspots, upregulating priser upptag och snabbt translocating näringsämnen till floem för ytterligare transporter1. Plasticitet Svaren kan variera bland växt arter eller genotyper2,3 och beroende på vilken kemisk form av näringsämnen inblandade4,5. Variation i roten plasticitet bör undersökas ytterligare, som förstå komplexa rot Svaren till heterogena markresurserna kunde informera avel och strategier att öka näringsämnen användning effektivitet i jordbruket.
Trots dess nödvändighet och betydelse för förståelse växt system innebär visualisera och kvantifiera rot plasticitet på relevanta skalor tekniska utmaningar. Gräva upp roten kronan från marken (”shovelomics”6) är en vanlig metod, men fina rötter utnyttja små porer mellan jord aggregat och utgrävning oundvikligen leder till viss grad av förlust av dessa ömtåliga rötter. Dessutom gör destruktiva skörd det omöjligt att följa förändringar i ett rotsystem över tid. In situ bildmedicinska metoder såsom röntgen beräknas tomografi tillåta direkt visualisering av rötter och markresurserna på hög rumslig upplösning7, men är dyra och kräver specialutrustning. Hydroponiska experiment undvika problemen med att utvinna rötter från marken, men roten morfologi och arkitektur skiljer sig i vattenmedium jämfört med de mekaniska begränsningar och biofysiska komplexitet jordar8,9. Slutligen kan inte odlingsbädden processer och funktioner integreras med utvecklingsmässiga plasticitet i dessa konstgjorda media.
Vi presenterar ett protokoll för konstruktion och användning av rhizoboxes (smala, rensa dubbelsidig rektangulär behållare) som en låg kostnad, anpassningsbara metod att karakterisera rottillväxt i jord över tid. Specialdesignade ramar uppmuntra rötter att växa företrädesvis mot baksidan på grund av gravitropism, öka noggrannheten av roten längd mätningar. Rhizoboxes används vanligen för att studera rottillväxt och odlingsbädden interaktioner10,11,12, men metoden presenteras här erbjuder en fördel i enkelhet med sin singel-fack design och billig material, och syftar till att studera rot Svaren till lokaliserade näringsämnen. Metoden kan dock också anpassas att studera en rad andra rot och odlingsbädden processer såsom intra/SAR konkurrens, rumslig distribution av kemiska föreningar, mikrober eller enzymaktivitet. Här, undersöker vi genotypisk skillnader bland majshybrider svar till fläckar av 15N-märkt baljväxter rester och höjdpunkten representativa resultat att validera metoden rhizobox.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den rhizoboxes som beskrivs i detta protokoll kan användas för att besvara varierade frågor i rot och odlingsbädden vetenskap och har hittat olika använder någon annanstans10,20,21,22,23 , 24 , 25. andra forskare har fångat time-lapse bilder rhizoboxes21,<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill erkänna anonym granskare för deras feedback, samt J.C. Cahill och Tan Bao för inledande vägledning på att utveckla rhizobox protokollet. Finansieringen tillhandahölls av Stiftelsen för livsmedel och jordbruk forskning, oss avdelning av jordbruk (USDA) nationella institutet för livsmedel och jordbruk, jordbruks Experiment Station projektet CA-D-PLS-2332-H, till A.G. och vid UC Davis institutionen av växten Vetenskaper genom ett stipendium till 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).
