在原位可视化和测量根系生长是极具挑战性的。我们提出了一种可自定义的 rhizobox 方法, 可根据营养丰富的时间跟踪根系发育和增殖。该方法用于分析玉米根系可塑性对有机氮源反应的基因型差异。
方法文章
在原位可视化和测量根系生长是极具挑战性的。我们提出了一种可自定义的 rhizobox 方法, 可根据营养丰富的时间跟踪根系发育和增殖。该方法用于分析玉米根系可塑性对有机氮源反应的基因型差异。
根是众所周知的难以研究。土壤既是一种视觉和机械屏障, 在没有破坏性收获或昂贵设备的情况下, 很难在原地跟踪根。我们提出了一种可自定义且经济实惠的 rhizobox 方法, 可在一段时间内实现根系生长的无损可视化, 特别适合研究本地化资源修补程序的根塑性。通过对含有15个 n-标记豆科植物残渣的斑块的塑性响应进行了评价, 验证了玉米基因型的变化。方法描述了随着时间的推移获得代表性的发育测量值, 测量含资源和控制斑块中的根长度密度, 计算根系生长速率, 并通过植物根和芽来确定15N 的回收率。本文还讨论了该方法的优点、注意事项和潜在的未来应用。尽管必须注意确保实验条件不偏向根增长数据, 但在这里提出的 rhizobox 协议如果进行得足够注意细节, 就会产生可靠的结果。
根系在植物养分采集中起着至关重要的作用, 但与地面上的同类相比往往被忽视。鉴于根系建造和维护的大量碳成本, 植物在觅食是值得投资的地方, 进化出了形成根系的机制。因此, 根系可以通过在热点中增殖、上调吸收率和快速转运养分向韧皮部进一步输送1, 从而高效、动态地挖掘资源斑块。可塑性反应在植物种类或基因型2、3和根据所涉及的养分的化学形式中有很大差异4,5。应进一步探讨根系可塑性的变化, 因为了解不同土壤资源的复杂根系反应, 可以告知育种和管理策略, 以提高农业的养分利用效率。
尽管它对了解植物系统的必要性和相关性, 但在相关的尺度上可视化和量化根塑性会带来技术挑战。从土壤中挖掘根冠 ("shovelomics"6) 是一种常见的方法, 但细根利用土壤骨料之间的小孔隙, 而开挖不可避免地导致这些脆弱的根的某种程度的损失。此外, 破坏性的收获使得不可能随着时间的推移在一个根系统中发生变化。原位成像方法, 如 X 射线计算机断层扫描允许直接可视化的根和土壤资源在高空间分辨率7, 但昂贵, 需要专门的设备。水培试验避免了从土壤中提取根的约束, 但与土壤的机械约束和生物物理复杂性相比, 在水性介质中根系形态和结构的差异8、9。最后, 在这些人工介质中, 根际过程和功能不能与发育可塑性相结合。
我们提出了一个用于构造和使用 rhizoboxes (窄的、透明的矩形容器) 的协议, 作为一种低成本、可定制的方法来表征土壤中的根系生长。特别设计的框架鼓励根在后面板上优先增长, 由于安歇, 提高根长度测量的准确性。Rhizoboxes 通常用于研究根系生长和根际相互作用10,11,12, 但这里提出的方法提供了简单的优势, 其单室设计和廉价材料, 旨在研究对局部营养素的根系反应。然而, 该方法也可用于研究一系列其他根和根际过程, 如内/种间竞争, 化合物的空间分布, 微生物, 或酶活性。在本文中, 我们研究了玉米杂交种对15个 n-标记豆科植物残留斑块的基因型差异, 并突出了代表性结果, 验证了 rhizobox 方法。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
1. 前、后面板和垫片的准备工作

图 1: 钻孔的布局.孔钻1.3 厘米从侧面边缘在 2.5, 19, 38 和53.3 厘米从顶部, 和1.3 厘米从底部边缘在 2.5, 20.3 和38厘米从左边距。请点击这里查看这个数字的更大版本.
2. 在包装箱底部安装聚酯击球条
注意: 这将防止土壤和水泄漏通过间隔之间的接缝。

图 2: 装配 rhizobox 与击球.rhizobox 底部的一条狭窄的击球片可防止泥土和沙子渗漏。请点击这里查看这个数字的更大版本.
3. Rhizoboxes 的组装

图 3: 补丁间隔.通过高密度聚乙烯条的中心插入的螺钉使它们不落入盒子中。rhizobox 填充在垫片周围的土壤, 土壤被润湿, 和垫片被删除为了留下空的处理和控制补丁。请点击这里查看这个数字的更大版本.
4. 构建 PVC 框架以支持 Rhizoboxes 的角度
注: 当方框放置在一个角度时, 安歇将鼓励根部对背板进行生长, 以便所有的根都可见以供追踪。图 4中的聚氯乙烯 (PVC) 尺寸使 rhizobox 的框架保持在接近55°角的工作台上。

图 4: 支持 rhizoboxes 的帧.轻型框架由 PVC 切割到指定长度, 并使用所示的关节类型连接。请点击这里查看这个数字的更大版本.
5. 缝合保护壳以反射光和热
注意: 根避免光线, 因此这些情况下排除光, 以确保观察到的根塑性响应是由营养源在补丁程序中, 而不是通过避光的驱动。光剥夺织物也降低了 rhizoboxes 内的温度, 有助于避免热应力。
6. 1:1 (伏/伏) 土的制备: 砂基板填充 Rhizoboxes
7. 处理和控制贴片的基底准备
8. 使用基板加载 Rhizobox, 并建立处理和控制修补程序
9. 甚至浇水至60% 的保水能力
注意: 这一量的土壤水分被发现, 以防止植物遭受干旱胁迫, 同时防止缺氧条件或藻类生长的发展。
10. 种子萌发和移植
11. 植物生长
12. 收获芽, 获得根和土壤样本进行分析
13. 踪迹的验证和相对根系生长速率的估计

14. 在根、射和处理土壤样品中进行15N 分区分析




访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
像预期的那样, 根在盒子后面的生长优先。盒背面的总追踪根长度介于400到 1956 cm 之间, 与盒前93-758 厘米相比。在扫描的根长度和追踪的根长度之间, 在盒子的前部、盒子的背面, 计算出成对皮尔逊相关系数, 并使用前后的总和来确定跟踪是否准确地反映了总根长度 (n = 23, 如在一个盒子里的植物在实验中死了)。扫描的总根长度与盒背面的追踪根长度显著相关 (图 5A, p = 0.0059), 框前面 (图 5B, p = 0.022), 以及前后的总和 (图 5C, p =0.0036). 仅跟踪盒的背面, 因此验证为具有代表性的根增长度量值, 同时将跟踪根的所需时间减半。但是, 应该注意的是, 跟踪只捕获总根长度的 21.6-54.6%。虽然根在 rhizobox 的表面上是优先生长的, 但细的侧根尤其可能不可见以供追踪。跟踪...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
本协议中描述的 rhizoboxes 可用于回答根和根际科学中的各种问题, 并在别处发现了不同用途10、20、21、22、23,24,25. 其他研究人员捕获了 rhizoboxes21、25、26的延时图像, 一些使用自动系统22、27。这些方法可用于定量分析根长度和跟踪方法...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者没有什么可透露的。
作者希望感谢匿名审阅者对他们的反馈意见, 以及 J.C. 卡希尔和谭宝在开发 rhizobox 协议方面的初步指导。资金由粮食和农业研究基金会、美国农业部 (USDA) 国家粮食和农业研究所、农业试验站项目 CA-D-PLS-2332-H、司法部和加州大学戴维斯分校提供。科学通过 J.S. 的奖学金
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 直径 1.27 厘米的 PVC 管 | JM Eagle | 530048 | 每箱 305 厘米,按照协议中规定的长度切割 |
| PVC 侧弯头 | Lasco | 315498 | 每箱 2 |
| PVC 90 度弯头 | Charlotte | PVC 02300 0600 | 4 个/盒 |
| PVC T 型接头 | Charlotte | PVC 02402 0600 | 4 个/盒 |
| 挤出亚克力板 | TAP 塑料 | 每盒不适用 | 2 个,0.64 厘米厚 x 40.5 厘米宽 x 61 厘米长 |
| HDPE 垫片(侧面) | TAP 塑料 | 每盒不适用 | 2 个,0.64 厘米厚 x 2.5 厘米宽 x 57 厘米长 |
| HDPE 垫片(底部) | TAP 塑料 | 不适用 | 1 个/盒,0.64 厘米厚 x 2.5 厘米宽 x 40.5 厘米长 |
| HDPE 垫片(贴片) | TAP 塑料 | N/A | 每盒 2 个, 0.64 厘米厚 x 3.8 厘米宽 x 28 厘米长 |
| 涤纶棉絮 | Fairfield | #A-X90 | 每箱 2.5 厘米 x 40.5 厘米条 |
| 20 螺纹螺钉 | N/A | N/A | 3.2 厘米长,0.64 厘米直径 |
| 垫圈 | N/A | N/A | 0.64 厘米内径 |
| 六角螺母 | N/A | N/A | 尺寸适合螺丝 |
| 轻剥夺面料 | Americover, 公司。 | 粗体 8WB26.5 | 每箱 1 块 宽 95 厘米,长 69 厘米 |
| 沙 | 地 Quikrete | No. 1113 | |
| 田间土壤 | N/A | N/A | |
| 用于描摹 | FXN | FXNT1319100S | 盒子每侧 1 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可