微图设计及植物和土壤样品制备，进行15次氮气分析
May 10th, 2020
介绍了用于15N 示踪剂研究的微图设计，以适应多个季节内植物和土壤采样事件。提出了用于15N分析的土壤和植物样品收集和处理程序，包括研磨和称重方案。
这种方法可以帮助研究人员量化肥料驱动氮对土壤作物系统的影响，并回答有关氮的使用效率的问题。该技术的主要优点是，它允许在连续两个生长季节进行多个季节土壤和植物采样事件。这种方法可以帮助我们更好地了解矿化和动员的氮循环过程，以改进氮肥管理指南。
为了建立一个田地地块，种植6个间距为76厘米的玉米排，最终的15.2倍4.6米的地块尺寸。从长尺寸的每一端建立1.5米的边界区域，并在取样和收获区毗邻的另一个1.5米长的边界区域。将第二排和第三排指定为季节植物和土壤取样区，第四行和第五行指定为玉米谷物产量的收获区。
建立一个以宽度尺寸为中心的 2.4 边 3.8 米的微图区域，收集所有富氮植物和土壤样本，在长度和宽度尺寸上留下 38 米的未采样边框，以尽量减少任何边缘影响。然后用不同颜色的标志绘制处理图和微图角。访问微地块时佩戴鞋罩，尽量减少微地块步行流量，以防止未富密取样区域受到污染，在退出微地块区域时去除脚罩。
施用氮-15富肥，将常规尿素中10原子氮-15富集尿素稀释至5原子%氮富尿素，将尿素溶解在两升脱氧水中，确保尿素肥料均匀浓缩。使用经过校准的背包二氧化碳喷雾器将氮-15浓缩尿素溶液均匀地应用于微图。然后在施用后24小时内加入含有肥料的尿素，并采用轻质耕作、手铲或64厘米灌溉，以最大限度地降低挥发性损失潜力。
在每个取样阶段，从取样区内采集6个地上、氮-15未富玉米植物复合样品，从氮-15富集微地块采集6个地上玉米植物复合样品。将 VH 和 R1 切到地面生物量之上，将切碎的生物量放入标记袋或干燥，并在 60 摄氏度下强制空气烤箱，直到恒定质量。记录生物质干重，彻底混合和研磨100至200克的干燥植物材料，直到它可以通过两毫米筛。
然后彻底混合地面材料，将子样品存放在贴有标签的硬币信封中，以进行进一步处理。对于土壤样品处理，在施肥后8天内，使用手探针从VH和R1的未富量取样区采集4个直径1.8厘米的复合土壤样品，并采用单独的手探针从微图中采集15芯1.8厘米直径复合土壤样品。将每个复合土壤样品均质化到桶中，并放置在预先标记的纸袋中。
然后在强制空气烤箱中以 35 摄氏度的温度下干燥土壤样品，直到恒定质量，然后研磨每个样品，直到它能穿过两毫米筛。在实验室中进行样品处理，在60摄氏度的烤箱中将地面计划样品在60摄氏度的烤箱中过夜，然后单独研磨干燥的植物和土壤样品，在滚筒罐中以四倍的g进行6至24小时，直到样品获得一致性等细面粉。然后将细磨材料转移到清洁标记的 20 毫升硅化小瓶中。
要确定每个样品中总浓度和氮-15浓度，戴上亚硝酸盐手套，首先使用实验室湿巾和乙醇清洁微量表、工作表面、铲和钳子。将清洁的餐具放在实验室的擦拭上，然后用钳子轻轻打开样品胶囊的开口。烤箱和释放修改的胶囊一到两毫米以上的微量锅和撕裂胶囊。
使用钳子将胶囊返回到干净的工作表面，并使用铲子小心地将所需的细磨样品材料质量添加到胶囊中。使用钳子慢慢压接加载胶囊的三分之一，并折叠起来密封。继续折叠和压缩胶囊，注意不要刺穿或撕裂锡，直到获得球形形状。
使用钳子将包裹的胶囊从一厘米高处多次掉落到干净的深色表面上，以检查是否泄漏。如果没有灰尘出现，像刚刚演示的一样称重样品，将胶囊放在 96 井板的一个井中，记录井的位置。在每个样品封装之间，用乙醇和实验室湿巾清洁每个器皿和表面，特别注意铲和钳的边缘。
在本次代表性分析中，上述玉米生物质样品中的肥料源氮浓度在生长季节较早时最大，且随着每次连续采样期而降低。然而，土壤衍生氮一直是地上生物质氮的最大部分，这说明了土壤氮供应对最佳玉米生长的重要性。在第一年的生理成熟期，大约27%的地上生物质氮是肥料，在谷物、粗壮和球类中观察到的比例相似。
第二年生理成熟时，在上述地面生物量中只回收了2%的第一年肥料衍生氮。第一年每公顷肥料约1.6公斤，从谷物中出口氮。在施肥的8天内，大部分肥料的氮气都如预期的那样位于土壤剖面的15厘米以上。
然而，每公顷大约22公斤氮已经进入更深的深处，而4至10%的肥料氮则下落不明。事实上，到第一年和第二年结束时，土壤玉米系统中的肥料源氮占不到50%，而其余氮要么流失到环境中，要么浸出低于90厘米的土壤样本深度。尝试此程序时，应格外小心，避免交叉污染，以免使结果失效。
可以进一步分析土壤的无机和有机部分，以增进我们对氮循环动力学的了解。按植物零件分析的植物样品可用于告知我们对氮吸收和易位情况的了解。
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概述
本文描述了用于15 N示踪剂研究的微块设计，该设计便于在生长季节内多次进行植物和土壤采样。它概述了用于15 N分析的土壤和植物样品的收集和处理程序。
关键研究组成部分
科学领域
- 土壤科学
- 农艺学
- 环境科学
背景
- 了解土壤和作物中的氮动力学对于高效使用肥料至关重要。
- 15 N示踪研究有助于量化氮肥使用效率。
- 多次采样事件可以在生长季节内提高数据准确性。
- 这种方法有助于理解氮循环过程。
研究目的
- 改进氮肥管理指南。
- 调查肥料驱动的氮对土壤和作物系统的影响。
- 提高对氮矿化和动员的理解。
使用的方法
- 设立具有特定玉米行间距和尺寸的田间试验地。
- 建立用于采样和收获的边界区域。
- 指定用于生长季节内采样和收获的特定行。
- 收集和处理土壤和植物样品以进行15 N分析。
主要结果
- 成功实施了用于15 N示踪研究的微块设计。
- 在两个生长季节内促进了多次采样事件。
- 提高了对氮循环过程的理解。
- 改进了氮肥管理指南。
结论
- 该方法为研究氮动力学提供了一个稳健的框架。
- 它支持更好的氮肥管理实践。
- 未来的研究可以在这个设计基础上进行进一步的洞察。
常见问题
Executive Industry Relevance
Stable isotope microplot designs using 15N tracers enable precise quantification of fertilizer-derived nitrogen fate in soil-crop systems, directly informing nitrogen use efficiency and environmental stewardship. This approach supports predictive confidence in nutrient management strategies and de-risks agronomic decision points by providing granular, season-spanning data on nitrogen cycling. The methodology is highly relevant for R&D teams optimizing fertilizer protocols and minimizing unaccounted nitrogen losses across portfolios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables mechanistic interrogation of nitrogen transformation and mobilization in soil-plant systems.
- Supports functional validation of nutrient uptake pathways and fertilizer response.
- Provides predictive confidence for optimizing fertilizer formulations and application timing.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of validated plant and soil samples for downstream isotopic analysis workflows.
- Ensures assay reproducibility and quantitative measurement of fertilizer-derived nitrogen across multiple time points.
- Enables robust screening of fertilizer treatments for comparative evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with translational goals by tracking nitrogen fate from application through plant uptake and environmental loss.
- Supports continuity from discovery-stage nutrient cycling studies to field-scale validation.
- Informs risk-adjusted advancement of fertilizer technologies based on real-world nitrogen recovery data.
Pipeline & Workflow Integration
This microplot and sample preparation method integrates from early discovery of nutrient cycling mechanisms through screening of fertilizer treatments to translational field validation.
- Discovery Biology: Quantifies fertilizer-derived nitrogen transformation, supporting hypothesis testing on nutrient cycling.
- Screening: Provides standardized, reproducible sample preparation for isotopic analysis of plant and soil nitrogen.
- Analytics: Delivers quantitative readouts of fertilizer-derived nitrogen distribution and unaccounted losses.
- Translational Research: Bridges controlled plot studies with field-scale nitrogen management strategies.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable protocol for multi-season, multi-sample nitrogen fate studies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in nitrogen use efficiency and environmental impact assessments.
- Operational Value: Standardizes sample handling and minimizes cross-contamination for reproducible isotopic analysis.
- Strategic Value: Enables data-driven go/no-go decisions for fertilizer product development and deployment.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of nutrient management innovations.
Implementation Considerations
- Requires expertise in stable isotope tracer studies and field plot design.
- Demands access to specialized analytical instrumentation for 15N quantification.
- Necessitates rigorous cross-team standardization to prevent sample contamination.
- Adaptable to various crop and soil systems with appropriate protocol modifications.
- Involves higher costs and manual labor compared to conventional nitrogen studies.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:40
Plot Design
1:42
Nitrogen (15N)-Enriched Fertilizer Preparation and Application
2:40
Field Sample Processing: Aboveground Corn Biomass
3:32
Field Sample Processing: Soil
4:20
Lab Sample Processing: Soil and Plant Sample Grinding
4:51
Sample Encapsulation for Processing
6:22
Results: Representative Fertilized-Derived Nitrogen (FDN) Partitioning and Budgeting
8:04
Conclusion
