En metode til at bevare vådområder Rødder og Rhizosphers for Elemental Imaging

Summary

Vi beskriver en protokol til at prøve, bevare og afsnit intakte rødder og de omkringliggende rhizosfæren jord fra vådområder miljøer ved hjælp af ris(Oryza sativa L.) som en model art. Når prøven er bevaret, kan den analyseres ved hjælp af elementære billeddannelsesteknikker, f.eks.

Abstract

Rødder interagerer meget med deres jordmiljø, men det er udfordrende at visualisere sådanne interaktioner mellem rødder og den omgivende rhizosfære. Rhizosfærens kemi i vådområder er særligt udfordrende at fange på grund af stejle iltgradienter fra rødderne til bulkjorden. Her beskrives en protokol, der effektivt bevarer rodstruktur og rhizosfærekemi af vådområder gennem slam-frysning og frysetørring. Slam-frysning, hvor prøven fryses mellem kobberblokke forkølet med flydende nitrogen, minimerer rodskader og prøveforvrængning, der kan opstå ved lynfrysning, mens den stadig minimerer kemiske speciationsændringer. Selv om det stadig er muligt at forvrængning af prøverne, øger muligheden for at opnå en tilfredsstillende prøvebehandling hurtigt og med minimale omkostninger muligheden for at opnå tilfredsstillende prøver og optimere billedtiden. Dataene viser, at denne metode har held til at bevare reducerede arsenarter i risrødder og jordstængler forbundet med jernplader. Denne metode kan anvendes til undersøgelser af forholdet mellem plante og jord i en lang række vådområder, der spænder over koncentrationen, lige fra sporstofcykling til phytoremediationsapplikationer.

Introduction

Rødder og deres rhizosfærer er dynamiske, heterogene og kritisk vigtige for at forstå, hvordan planter opnår mineralske næringsstoffer og forurenende stoffer^1,2,3. Rødder er den primære vej, hvormed næringsstoffer (f.eks. fosfor) og forurenende stoffer (f.eks. arsen) bevæger sig fra jord til planter, og forståelsen af denne proces har konsekvenser for fødevaremængden og -kvaliteten, økosystemets funktion og phytoremediation. Rødderne er dog dynamiske i rum- og tidsvækst som reaktion på behovet for erhvervelse af næringsstoffer, og de varierer ofte i funktion, diameter og struktur (f.eks. laterale rødder, utilsigtede rødder, rodhår)². Heterogenitet af rodsystemer kan studeres på rumlige skalaer fra cellulært til økosystemniveau og på tidsmæssige skalaer fra time til decadal. Således udgør den dynamiske og heterogene karakter af rødder og deres omgivende jord, eller rhizosfære, udfordringer for at fange rhizosfære kemi over tid. På trods af denne udfordring er det vigtigt at studere rødder i deres jordmiljø for at karakterisere dette kritiske forhold mellem plante og jord.

Rhizosfærens kemi i vådområder er særligt udfordrende at undersøge på grund af stejle iltgradienter, der findes fra bulkjord til rødderne, som ændrer sig i rum og tid. Fordi rødder har brug for ilt til at respirere, har vådområder tilpasset sig de lave iltforhold i vådområder jord ved at skabe aerenchyma^4,5. Aerenchyma er udhulede kortikale væv, der strækker sig fra skud til rødder, hvilket gør det muligt at sprede luft gennem planten ind i rødderne. Men nogle af denne luft lækker ind i rhizosfæren i mindre suberiserede dele af rødderne især nær laterale rodkryds, mindre modne rodspidser og forlængelseszoner^6,7,8,9. Dette radiale ilttab skaber en oxideret zone i rhizosfæren af vådområder planter, der påvirker rhizosfæren (bio-geo) kemi og adskiller sig fra den reducerede bulk jord^10,11,12. For at forstå skæbnen og transporten af næringsstoffer og forurenende stoffer i vådområder rhizosfærer og rødder er det afgørende at bevare den kemisk reducerede bulkjord, den oxiderede rhizosfære og rødder af vådområder til analyse. Men fordi bulkjorden indeholder reducerede jordbestanddele, der er iltfølsomme, skal rod- og jordbeskyttelsesmetoder bevare rodstrukturerne og minimere iltfølsomme reaktioner.

Der findes metoder til at fastsætte plantevæv og bevare ultrastrukturen til billeddannelse, men disse metoder kan ikke anvendes på kemisk bevarende rødder, der vokser i vådjord. Til undersøgelser, hvor der kun ønskes elementær distribution i planteceller, dyrkes planter typisk hydroponisk, og rødder kan let fjernes fra opløsningen, fastgøres under højtryksfrysning og frysesubstitution og opdeles til en række billedbehandlingsapplikationer, herunder sekundær ionmassespektrometri (nanoSIMS), elektronmikroskopi og synkrotron røntgenfluorescensanalyse (S-XRF)^{13, 14,15}. For at undersøge Fe plaque på ydersiden af vådområder rødder, disse hydroponiske undersøgelser skal kunstigt fremkalde Fe plaque dannelse i opløsning¹⁶, som ikke præcist repræsenterer heterogeniteten af distribution og mineral sammensætning af Fe plaque dannelse og tilhørende elementer in situ^17,18,19,20. Der findes metoder til at bevare vådjord og tilhørende mikroorganismer med fryse-coring²¹, men det er svært at opnå rødder med denne teknik. De nuværende metoder til at visualisere rødder, der vokser i jorden, og deres rhizosfæriske kemi består af to primære måletyper: elementære fluxer og total elementær koncentration (og speciation). Førstnævnte måles typisk ved hjælp af diffusive gradienter i tynde film (DGT)^22,23,24, hvor jord placeres i rhizokasser for at understøtte plantevækst i laboratoriemiljøer og labile elementer i jorden diffunderer gennem en gel i et bindende lag. Dette bindingslag kan derefter afbildes for at kvantificere de labile elementer af interesse. Denne teknik kan med succes illustrere forholdet mellem rødder og rhizosfæren^24,25,26,27, men artefakter fra rod-afgrænsning kan eksistere ved at dyrke planter i rhizobokse, og oplysninger om roden interiør er ikke fanget med DGT. Sidstnævnte omfatter prøveudtagning af rødder og jordstængler, konservering af prøven og direkte analyse af elementær fordeling på et prøveafsnit. Til denne miljøprøvetagning af vådområdeplanterødder og den omgivende rhizosfære kræves der omhyggelig prøvehåndtering for at undgå artefakter fra prøveforberedelse.

Her beskrives en protokol, der effektivt bevarer rodstrukturer og rhizosfærekemi i vådområder ved slam-frysning og frysetørring. Flash-frysning kan drastisk bremse transformationer af iltfølsomme opløste stoffer, men kan skade rødder og kan forårsage mobilisering, når prøver tørrer ud. Slam-frysning, hvor prøven fryses mellem kobberblokke, forkølet med flydende nitrogen minimerer dog rodskader og prøveforvrængning²⁸. De bevarede prøver er derefter indlejret i en epoxy harpiks, der bevarer Som speciation^20,29 og kan skæres og poleres til billeddannelse af rødder i deres rhizosfære jord. Prøverne i denne rapport blev analyseret af S-XRF kemisk speciation imaging efter tynd sektionsopderingning. Der kan dog også anvendes andre billeddannelsesteknikker, herunder laserabporationsfremkaldende koblet plasmamassespektrometri (LA-ICP-MS), partikelinduceret røntgenemission (PIXE), sekundær ionmassespektrometri (SIMS) og laserinduceret nedbrydningsspektroskopi (LIBS) billeddannelse.

Protocol

1. Fremstilling af slam-fryseudstyr Placer to kobberblokke (~5 cm x 5 cm x 15 cm) vandret inde i en ren køler, der er i stand til at holde flydende nitrogen og hæld nok flydende nitrogen til at nedsænke blokkene. Når boblen aftager, skal du placere to afstandsstykke oven på en kobberblok i hver ende.BEMÆRK: Afstandshøjden bestemmer højden af den prøve, der skal fryses. I dette eksempel bruges en afstandsstykke på 2 cm til at oprette kuber ca. 3 cm x 3 cm x 2 cm. Mængden af flydende nitrogen afhæ…

Representative Results

Denne metode gør det muligt at bevare rødder og kemiske arter i rødderne og rhizosfæren af vådområder planter og i bulk jord. I dette arbejde blev metoden brugt til at evaluere as speciation og co-lokalisering med Fe og Mn oxider og plantenæringsstoffer i rhizosfæren af ris (Oryza sativa L.). Ris blev dyrket på RICE Facility ved University of Delaware, hvor 30 rismarker mesocosms (2 m x 2 m, 49 planter hver) bruges til at dyrke ris under forskellige jord- og vandforvaltningsforhold med det formål at s?…

Discussion

Dette papir beskriver en protokol til at opnå bevaret bulk jord + rhizosfærer af vådområder planterødder ved hjælp af en slam-frysning teknik, der kan bruges til elementær billeddannelse og / eller kemisk speciation kortlægning.

Der er flere fordele ved denne metode i forhold til eksisterende metoder. For det første giver denne metode mulighed for samtidig undersøgelse af rødder og de omkringliggende rhizosfærer. Der findes i øjeblikket metoder til at bevare og kemisk billedrødde…

Materials

Copper blocks	McMaster Carr	89275K42
Diamond blade	Buehler	15 LC, 102 mm x 0.3 mm	operation speed: 225 rpm
Epoxy forms	Struers	40300085	FixiForm
Epoxy	Epotek	301-2FL
Superglue	Loctite	404
Thin sectioning machine	Buehler	PetroThin
Wet saw	Buehler	IsoMet 1000