JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Ambiente

En optimalisert Rhizobox protokollen å visualisere rot vekst og respons på lokaliserte næringsstoffer

Published: October 22, 2018
doi:
10.3791/58674
, ,
1Department of Plant Sciences,University of California at Davis, 2Department of Natural Resources and the Environment,University of New Hampshire

Summary

Visualisere og måle rot vekst i situ er ekstremt utfordrende. Vi presenterer en passelig rhizobox metode for å spore root utvikling og spredning over tid i respons til nærings berikelse. Denne metoden brukes til å analysere mais genotypic forskjeller i roten plastisitet som svar på en organisk nitrogen kilde.

Abstract

Røttene er notorisk vanskelig å studere. Jordsmonnet er både visuelle og mekanisk barriere, gjør det vanskelig å spore røtter i situ uten ødeleggende harvest eller dyrt utstyr. Vi presenterer en passelig og rimelig rhizobox metode som tillater ikke-destruktiv visualisering av rot vekst over tid og er spesielt godt egnet til å studere rot plastisitet svar lokalisert ressurs patcher. Metoden ble validert ved å vurdere mais genotypic variasjon i plastisitet Svar å oppdateringer som inneholder 15N-merket Belgfrukt rester. Metodene er beskrevet å få representativt utviklingsmessige målinger over tid, måle rot lengde tetthet i ressurser som inneholder og kontroll, beregner rot vekstrater og bestemmer 15N utvinning av plante røtter og skyter. Fordeler, advarsler og potensielle fremtidige anvendelser av metoden er også diskutert. Selv om omsorg må tas for å sikre at eksperimentelle forhold ikke skjevhet rot vekst data, gir rhizobox protokollen presenteres her pålitelige resultater hvis utført med tilstrekkelig oppmerksomhet på detaljer.

Introduction

Selv om ofte oversett i forhold til sine aboveground kolleger, røtter spille en avgjørende rolle i anlegget næringsstoffer oppkjøpet. Gitt den betydelige karbon prisen for rot konstruksjon og vedlikehold, planter utviklet seg mekanismer for å utvikle røtter bare der beite er verdt investeringen. Rotsystem kan dermed effektivt og dynamisk min ressurs oppdateringer av voksende i hotspots, upregulating priser på opptak, og raskt translocating næringsstoffer til phloem for videre transport1. Plastisitet svar kan variere mye mellom plante arter eller genotyper2,3 og avhengig av kjemiske form av næringsstoffer involvert4,5. Variasjon i roten plastisitet bør utforskes videre som forstå komplekse rot Svar å heterogene jord ressurser kunne informere avl og ledelse strategier for å øke nærings bruk effektiviteten i landbruket.

Til tross for sin nødvendighet og relevans for forståelse anlegget systemer gir visualisere og kvantifisere rot plastisitet på relevante skalaer tekniske utfordringer. Utgravningene rot kronen fra jord (“shovelomics”6) er en felles metode, men fin røtter utnytte små porer mellom jord aggregat, og utgraving uunngåelig fører til en viss grad av tap av disse skjøre røtter. Videre gjør destruktive harvest det umulig å følge endringer i en rot over tid. In situ tenkelig metoder som X-ray beregnet tomografi tillate direkte visualisering av røtter og jord ressurser på høy romlig oppløsning7, men er dyrt og krever spesialisert utstyr. Hydroponic eksperimenter unngå betingelser i forbindelse med utpakking røtter fra jord, men roten morfologi og arkitektur varierer i vandige media sammenlignet med mekanisk begrensninger og Biofysiske kompleksiteten av jord8,9. Endelig kan ikke rhizosphere prosesser og funksjoner integreres med utviklingsmessige plastisitet i disse kunstige medier.

Vi presenterer en protokoll for bygging og bruk av rhizoboxes (smale, klare ensidig rektangulære beholdere) som rimelig, tilpasses å karakterisere akselerere veksten i jord over tid. Spesialdesignet rammer oppfordrer røttene å vokse fortrinnsvis mot bakpanelet på grunn av gravitropism, øke nøyaktigheten av rot lengdemål. Rhizoboxes brukes vanligvis til å studere rot vekst og rhizosphere vekselsvirkningene10,11,12, men metoden som presenteres her tilbyr en fordel i enkelhet med endelt design og billig materialer, og er utformet for å studere rot Svar å lokalisere næringsstoffer. Metoden kan imidlertid også være tilpasset å studere en rekke andre rot og rhizosphere prosesser som intra/interspecies konkurranse, romlige fordelingen av kjemiske forbindelser, mikrober eller enzym aktivitet. Her undersøke vi genotypic forskjeller mais hybrider svar på flekker av 15N-merket Belgfrukt rester og høydepunkt representant resultater å validere metoden rhizobox.

Protocol

1. forberedelser Front og bak paneler og avstandsstykker Forberede og panelene. Cut to stykker av klart 0.635 cm tykk akryl 40.5 cm bred 61 cm lang per boks eller kjøpe pre-cut stykker (se Tabell for materiale). Bruke en borekrone designet for akryl, bore hull 0.635 cm diameter 1,3 cm fra kantene på 2.5, 19, 38 og 53.3 cm fra toppen. Bore hull 1,3 cm fra nederkant på 2.5, 20,3 og 38 cm fra venstre (figur 1).Merk: Er det mest effektivt å b…

Representative Results

Røtter vokste fortrinnsvis mot baksiden av boksen som forventet. Totalt sporet rot lengde på baksiden av boksen varierte fra 400 1,956 cm, sammenlignet med 93-758 cm på forsiden av boksen. Parvis Pearson korrelasjonskoeffisienter ble beregnet mellom skannede rot lengden og spores rot lengden på forsiden av boksen baksiden av boksen og summen av foran og bak ble brukt til å avgjøre om sporing nøyaktig reflekterte totalt rot lengde (n = 23, som anlegget i én boks døde under eksperi…

Discussion

Rhizoboxes beskrevet i denne protokollen kan brukes til å svare på varierte spørsmål i rot og rhizosphere, og har funnet mangfoldig bruker andre steder10,20,21,22,23 , 24 , 25. andre forskere har fanget time-lapse bilder rhizoboxes21,2…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne ønsker å erkjenne anonyme vurderinger for deres tilbakemeldinger, samt JC Cahill og Tan Bao første retningslinjer for utvikling av rhizobox-protokollen. Midler ble gitt av Foundation for mat og landbruk forskning, oss Department of Agriculture (USDA) National Institute for mat og jordbruk, landbruket eksperiment stasjon prosjektet CA-D-PLS-2332-H, til A.G. og UC Davis avdeling av anlegget Vitenskap gjennom en fellesskap til JS

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  1. Hodge, A. Roots: The Acquisition of Water and Nutrients from the Heterogeneous Soil Environment. Progress in Botany 71. , 307-337 (2010).
  2. 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).
  3. Zhang, H., Forde, B. G. An Arabidopsis MADS box gene that controls nutrient-induced changes in root architecture. Science. 279 (5349), 407-409 (1998).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Hewitt, E. J. . Sand and Water Culture Methods Used in the Study of Plant Nutrition. , (1966).
  13. 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).
  14. 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).
  15. McNear, D. H. The Rhizosphere – Roots, Soil, and Everything In Between. Nature Education Knowledge. 4 (3), 1 (2013).
  16. Ortas, I. Determination of the extent of rhizosphere soil. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 28 (19-20), 1767-1776 (1997).
  17. . Carbon (13C) and Nitrogen (15N) Sample Preparation Available from: https://stableisotopefacility.ucdavis.edu/13cand15nsamplepreparation.html (2018)
  18. Barraclough, D. 15N isotope dilution techniques to study soil nitrogen transformations and plant uptake. Fertilizer research. 42 (1-3), 185-192 (1995).
  19. Belter, P. R., Cahill, J. F. Disentangling root system responses to neighbours: identification of novel root behavioural strategies. AoB PLANTS. 7, (2015).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Wu, J., et al. RhizoChamber-Monitor: a robotic platform and software enabling characterization of root growth. Plant Methods. 14 (1), 44 (2018).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Zhang, Y. L., Wang, Y. S. Soil enzyme activities with greenhouse subsurface irrigation. Pedosphere. 16 (4), 512-518 (2006).
  34. 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).
  35. Lobet, G., Draye, X. Novel scanning procedure enabling the vectorization of entire rhizotron-grown root systems. Plant Methods. 9, 1 (2013).
  36. Swarup, R., Wells, D. M., Bennett, M. J. Root Gravitropism. Plant Roots: The Hidden Half. , (2013).
  37. Smit, A. L., Bengough, A. G., Engels, C., van Noordwijk, M., Pellerin, S., van de Geijn, S. C. . Root Methods: A Handbook. , (2000).
  38. 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).
  39. 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).

Tags

RhizoboxRoot GrowthLocalized NutrientsRoot And Rhizosphere ScienceNon-invasive MeasurementsSoilAcrylic PanelsPolyester PaddingPolyethylene SheetsPVC FrameSoil-sand SubstrateNitrogen Source

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
Schmidt, J. E., Lowry, C., Gaudin, A. C. An Optimized Rhizobox Protocol to Visualize Root Growth and Responsiveness to Localized Nutrients. J. Vis. Exp. (140), e58674, doi:10.3791/58674 (2018).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image