وضع بروتوكول رهيزوبوكس الأمثل لتصور النمو الجذري والقدرة على الاستجابة للعناصر المغذية مترجمة
Summary
تصور وقياس الجذر النمو في الموقع صعبة للغاية. نحن نقدم طريقة رهيزوبوكس لتخصيص لتتبع جذور التنمية وانتشارها على مر الزمن استجابة للمغذيات. يتم استخدام هذا الأسلوب لتحليل الاختلافات قد الذرة في جذر اللدونة ردا على مصدر نيتروجين العضوي.
Abstract
الجذور، يصعب دراسة. التربة حاجز البصرية والميكانيكية، مما يجعل من الصعب تتبع جذور في الموقع دون حصاد المدمرة أو معدات باهظة الثمن. نقدم أسلوب رهيزوبوكس بأسعار معقولة وقابلة للتخصيص الذي يسمح التصور غير المدمرة لنمو الجذر على مر الزمن، وخاصة مناسبة تماما لدراسة اللدونة الجذر ردا على بقع الموارد المترجمة. تم التحقق من صحة الأسلوب بتقييم التباين أوضح الذرة في الردود اللدونة للبقع التي تحتوي على بقايا البقوليات المسمى ن 15. أساليب موصوفة للحصول على القياسات التنموية الممثل مع مرور الوقت وقياس كثافة طول الجذر في البقع التي تحتوي على الموارد والتحكم وحساب معدلات النمو الجذري وتحديد 15ن الانتعاش بجذور النباتات ويطلق النار. وتناقش أيضا المزايا والمحاذير والتطبيقات المستقبلية المحتملة للأسلوب. على الرغم من أن يجب الحرص على التأكد من أن الظروف التجريبية لا تحيز البيانات النمو الجذري، غلة البروتوكول رهيزوبوكس المقدمة هنا نتائج موثوقة إذا ما نفذت بالاهتمام الكافي بالتفاصيل.
Introduction
على الرغم من أن كثيرا ما يغفل عنها مقارنة بنظرائهم سطحي، الجذور تلعب دوراً حاسما في اكتساب المغذيات النباتية. نظراً لتكلفة الكربون كبيرة جذر البناء والصيانة، تطورت النباتات آليات لتطوير الجذور فقط حيث تستخدم علفاً يستحق الاستثمار. نظم جذور يمكن وبذلك كفاءة وحيوي الألغام بقع الموارد التي تنتشر في المناطق الساخنة، upregulating معدلات الإقبال والمغذيات ترانسلوكاتينج سريعاً إلى لحاء لمواصلة النقل1. يمكن أن تختلف الاستجابات اللدونة على نطاق واسع بين النباتات من الأنواع أو الأنماط الجينية2،3 ، وتبعاً لشكل المواد الكيميائية المعنية المغذيات4،5. التباين في جذر اللدونة وينبغي استكشاف المزيد، فهم استجابات الجذرية المعقدة لموارد التربة غير المتجانسة يمكن إبلاغ استراتيجيات إدارة لزيادة كفاءة استخدام المغذيات في الزراعة وتربية.
وبالرغم من ضرورة وأهمية لفهم النظم النباتية تصور وتحديد مقدار اللدونة الجذر في الجداول ذات الصلة تحديات التقنية. حفر التاج الجذر من التربة (6من “شوفيلوميكس”) أسلوب شائع، لكن استغلال جذور غرامة المسام الصغيرة بين المجاميع التربة، وحفر يؤدي لا محالة إلى درجة ما من فقدان هذه الجذور الهشة. وعلاوة على ذلك، الحصاد المدمرة يجعل من المستحيل على تتبع التغييرات في نظام جذر واحد على مر الزمن. في الموقع من أساليب التصوير مثل التصوير المقطعي بالأشعة السينية المحسوبة السماح التصور مباشرة من الجذور وموارد التربة في عالية الدقة المكانية7، لكن غالية الثمن ويتطلب معدات متخصصة. تجارب تربة تجنب القيود المرتبطة باستخراج الجذور من التربة، ولكن تختلف مورفولوجيا الجذر والهندسة المعمارية في الوسط المائي مقارنة بالقيود الميكانيكية وتعقيد الفيزيائية للتربة8،9. أخيرا، لا يمكن دمجها rhizosphere العمليات والوظائف مع اللدونة التنموية في هذه الوسائط المصطنعة.
نقدم بروتوكول لبناء واستخدام رهيزوبوكسيس (حاويات مستطيلة ضيقة، وواضحة من جانب) كوسيلة منخفضة التكلفة وقابلة للتخصيص لوصف النمو الجذري في التربة مع مرور الوقت. إطارات مصممة خصيصا تشجيع الجذور تنمو بشكل تفضيلي ضد الفريق مرة أخرى بسبب جرافيتروبيسم، زيادة دقة قياسات طول الجذر. رهيزوبوكسيس تستخدم عادة لدراسة النمو الجذري و rhizosphere التفاعلات10،،من1112، ولكن الأسلوب الذي قدم هنا يوفر ميزة في البساطة مع تصميم حجرة واحدة وغير مكلفة المواد، وهو مصمم لدراسة الردود الجذر على المغذيات المترجمة. ومع ذلك، الأسلوب يمكن أيضا تكييف لدراسة مجموعة من عمليات الجذر ورهيزوسفيري أخرى مثل المنافسة داخل/إينتيرسبيسيس، والتوزيع المكاني للمركبات الكيميائية أو الميكروبات، أو نشاط إنزيم. هنا، نحن التحقيق أوضح الاختلافات بين هجن الذرة ردا على بقع من 15البقول المسمى ن بقايا وتسليط الضوء على الممثل النتائج للتحقق من صحة الأسلوب رهيزوبوكس.
Protocol
Representative Results
Discussion
رهيزوبوكسيس الموصوفة في هذا البروتوكول يمكن استخدامها للرد على أسئلة متنوعة في علم الجذر ورهيزوسفيري، ولقد وجدت متنوعة يستخدم في أماكن أخرى10،،من2021،،من2223 , 24 , 25</sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
المؤلف يود أن ينوه المراجعين المجهول للتغذية المرتدة، فضلا عن كاهيل كيركراده وتأن باو للتوجيه الأولى بشأن وضع بروتوكول رهيزوبوكس. تم توفير التمويل بالأساس للأغذية والزراعة البحوث، لنا وزارة للزراعة (وزارة الزراعة) المعهد الوطني للأغذية والزراعة، زراعية تجربة محطة كاليفورنيا المشروع-د-الثابتة والمتنقلة-2332-ح، إلى جي وإدارة جامعة كاليفورنيا ديفيس من المصنع العلوم من خلال زمالة إلى ج. س.
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).
