방법 논문

사탕수수 뿌리 시스템을 특성화하기 위한 다각형 분석 접근법

DOI:

10.3791/63596

⸱

2022년 8월 17일

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Division of Crop Production, Indian Council of Agricultural Research-Sugarcane Breeding Institute (ICAR-SBI), 2Division of Crop Improvement, ICAR-SBI, 3ICAR-SBI Research Centre, 4ICAR-SBI Regional Centre

이 논문에서

요약

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

뿌리 시스템 형질을 특성화하는 것은 특히 사탕수수에서 아직 초기 단계에 있는 연구 분야 중 하나입니다. 사탕수수 뿌리를 정확하게 표현형화하기 위한 여러 접근 방식을 통합하면 포괄적이고 전체적인 결과를 얻을 수 있으며, 기존 및 분자 육종을 위해 식별된 형질과 메커니즘을 활용할 수 있습니다.

초록

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

뿌리는 물과 영양분의 주요 전도체이며 스트레스가 많은 환경에서 성장과 수확량을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 식물 뿌리에 대한 연구는 현장 평가 및 샘플링에서 방법론적 어려움을 야기하며, 이는 특히 사탕수수(Saccharum spp.)에 해당됩니다. 1920년대의 전통적인 방법은 사탕수수 뿌리 시스템의 유전형 변이를 문서화했으며, 그 후 최근까지 사탕수수 뿌리 형질 자체 에 대한 연구는 거의 보고되지 않았습니다. 형태학 외에도 대립유전자 요법 효과 및/또는 미생물 공생에 대한 친화력을 포함한 뿌리권 특성이 식물 설립과 생존을 결정합니다.

궁극적으로, 뿌리 시스템은 사탕수수의 지상 생산성을 정의합니다. 기후에 탄력적인 품종에 대한 추진력으로 인해 사탕수수의 뿌리 시스템 특성의 다양성을 탐구하고 활용하는 것이 더욱 중요해지고 있습니다. 이 논문은 인도 농업 연구 위원회-사탕수수 육종 연구소(ICAR-SBI)의 과학자 팀이 고용한 도랑 샘플링에 의한 현장 굴착, 뿌리 코어 샘플러의 사용, 뿌리 샘플링을 위한 제기 플랫폼, 수경 재배 배양에서 식물 사육을 포함하여 사탕수수 뿌리 표현형을 위한 다각적인 접근 방식을 설명합니다.

트렌치 샘플링에 의한 현장 굴착은 자연 성장 환경에서 식물 뿌리를 평가하는 데 필수적입니다. 필드 조건을 시뮬레이션하는 돌출된 플랫폼과 루트 코어 샘플러를 사용하는 것은 시간을 크게 단축하고 샘플 크기를 균일하게 하며 루트 물질의 손실을 줄이는 대안적인 접근 방식입니다. 수경재배 식물 배양은 유기 화합물의 삼출 및 미생물 상호 작용을 포함하여 형태학, 해부학적 특징 및 근권 생물학을 연구할 수 있도록 합니다. 다양한 표본 추출 방법을 사용한 다양한 실험에서 생성된 데이터는 사탕수수의 뿌리 시스템 특성에 대한 풍부한 정보를 추가합니다.

서론

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

중요한 식량 및 바이오 에너지원인 사탕수수(Saccharum spp.)는 열대 및 아열대 기후 조건을 가진 많은 국가에서 재배하기에 적합한 중요한 산업 작물입니다. 탄소 동화를 위한 C4 광합성 경로 덕분에 사탕수수는 물과 비료와 같은 농장 투입물을 효율적으로 사용하여 생산성이 높습니다. 사탕수수의 수확 후 가공을 통해 설탕과 재거리와 같은 경제적으로 가치 있는 제품과 당밀, 에탄올 및 에너지의 부산물을 생산할 수 있습니다. 사탕수수는 약 100개국에서 생산되며, 면적은 25.97Mha이며, 이는 전체 경작지의 약 1.5%에 해당합니다. 인도만 해도 세계 사탕수수 생산량의 16%(약 306Mt)를 차지하고 있으며, 평균 생산성은 70t·ha−1 1이다. 사탕수수 생산에 큰 영향을 미치는 주요 비생물적 스트레스에는 물 부족, 물 로깅, 극한 온도 및 영양 결핍, 염도, 염도 및 알칼리도와 같은 토양 특성이 포함됩니다. 비생물적 스트레스에 강한 작물을 개발하기 위한 가장 큰 과제는 스트레스 조건에서 상당한 수확량 이점을 제공하는 특정 특성을 정확히 찾아내는 것입니다.

사탕수수 생리학의 여러 측면은 제대로 이해되지 않고 있으며, 여기에는 사탕수수 생산성에 큰 영향을 미치는 뿌리-새싹 관계를 포함합니다. 사탕 수수 뿌리는 싹만큼 잘 연구되지 않았지만 세트 뿌리, 싹 뿌리 및 성인 뿌리와 같은 다양한 유형은 다양한 기능으로 발달 적으로 구별 될 수 있습니다. 발아2 동안 나타나는 sett 뿌리의 수와 길이와 관련하여 유전형 차이가 관찰되었습니다. 셋트 뿌리는 사탕 수수 새싹의 발아에 관여하여 조기 작물 정착을 보장하며 나중에 발달 싹3의 기저부에서 나오는 튼튼한 새싹 뿌리로 대체됩니다. 세트 뿌리에서 관찰되는 미세한 가지는 어린 식물을 고정하는 데 도움이 되며 새싹 뿌리로 대체될 때까지 물과 영양분을 흡수하는 데 도움이 됩니다. sett roots와 유사하게, 싹 뿌리는 또한 지팡이의 낮고 확장되지 않은 internodes에 존재하는 뿌리 primordia에서 발생합니다.

새싹 뿌리가 식물에서 더 오래 지속됨에 따라 뿌리보다 4x-10x 더 두껍습니다. 새싹 뿌리는 사탕 수수의 유일한 뿌리 시스템을 구성하며 추가 성장과 발달에 중요한 역할을합니다. 새싹 뿌리의 활력은 식물의 전반적인 식물 활력과 긍정적으로 관련이 있습니다. 정착 뿌리와 새싹 뿌리의 회전으로 인한 뿌리의 지속적인 발달은 지배적인 환경 조건에 끊임없이 적응하는 사탕 수수의 "성인 뿌리 시스템"을 발생시킵니다. 일반적으로 더 깊고 더 많은 비옥한 뿌리 시스템은 뿌리의 얕은 분포보다 작물에 더 많은 물과 영양분을 사용할 수 있습니다. 주기적인 해부를 통해 토양 수분 함량이 높을 때 얕은 뿌리 시스템이 관찰되는 반면, 지하수면이 떨어짐에 따라 훨씬 더 깊은 뿌리 시스템이 발달하는 것으로 나타났습니다2. 사탕수수의 뿌리 시스템은 작물을 수확한 후에도 활성 상태를 유지하여 지하 새싹에서 새로운 새싹 뿌리가 나올 때까지 라툰 작물의 성장에 기여합니다4. 뿌리 각도와 뿌리 분기 수준은 식물 뿌리가 탐험하는 토양의 양을 결정하는 두 가지 중요한 요소입니다. 유전형 형질인 뿌리 각도는 생물학적 및 비생물적 스트레스에 대한 내성을 개선하기 위해 기존의 육종 또는 분자 접근 방식을 통해 변경될 수 있습니다. 반대로, 뿌리 분기 수준은 대부분 환경의 영향을 받기 때문에 뿌리 발달과 국부적인 토양 조건에 대한 반응에 대한 주기적인 모니터링이 필요합니다.

유전자형과 환경에 대한 차이점을 확인하기 위해 사탕수수 뿌리의 해부학적 특징을 조사했습니다. 사탕 수수에 있는 세트 뿌리의 해부학은 옥수수와 같은 다른 풀의 성숙한 뿌리의 해부학적 구조와 유사하며, 여기서 피질은 규칙적인 패턴으로 잘 분화된 세포층으로 구성되어 있습니다. 내배엽은 수버화(suberized)된 후 단층 주위순환(pericycle)이 뒤따릅니다. 메타 자일렘 원소는 주 전도체 또는 물 및 영양 이온으로, 방사상으로 배열되고 체관부 그룹으로 산재되어 있으며, 후자는 두 개의 동반 세포가있는 체 원소를 포함합니다. 미분화 세포의 큰 중앙 덩어리가 뿌리 속을 형성합니다. 사탕수수 품종의 뚜렷한 해부학적 특징은 뿌리의 수리학적 특성과 일치하여 물의 이동에 영향을 미칩니다. 사탕수수의 뿌리 해부학적 형질의 차이에 대한 초기 연구에서는 낮은 수분 스트레스 조건에서 세포벽의 뚜렷한 두꺼워짐이 내피 바로 내부, 속과 혈관 부위 사이, 혈관 주변의 층에서 관찰되는 것으로 나타났습니다5. 이러한 두꺼워진 세포는 수액의 역류를 방지하고 스트레스 동안 기계적 강도를 위한 적응일 수 있습니다.

사탕수수의 가뭄 저항성과 관련된 몇 가지 중요한 특성에는 외배엽 층의 상대적인 두께와 수, 피질과 비석의 비율, 피질의 세포 간 공간, 두꺼워진 뿌리 털 끝이 포함됩니다. 새싹뿌리의 항성 조직이 차지하는 면적에 대한 피질 세포가 차지하는 면적의 비율은 사탕수수 품종마다 크게 다르며, 비석6의 면적에 따라 변동성이 크다. 사탕수수 뿌리의 수압 전도도는 새싹 뿌리에 있는 메타물관부의 크기와 수와 관련이 있습니다. 뿌리 내의 소수성 세포층은 아포플라스틱 물의 이동 영역을 정의할 가능성이 높습니다. Suberized Casparian bands는 내배엽과 하피(외피라고 함)에서 발견되며, 이는 소수성 장벽 역할을 합니다. 피질 세포의 붕괴는 발달 연령에 관계없이 더 오래된 뿌리와 저산소 상태에 노출된 식물에서 용해성 통기세포(lysigenous aerenchyma)의 형성으로 이어집니다. 침수 스트레스 동안 통풍구의 형성은 저항성 품종의 성장 유지와 관련이 있습니다7.

Erianthus arundinaceus [Retzius] Jeswiet (Saccharum spp.와 관련된 속) 뿌리의 형태와 해부학은 환경 스트레스에 대한 강한 내성과 관련이 있습니다8. Erianthus arundinaceus 뿌리는 가파른 각도로 분포 된 마디 뿌리를 나타내며 더 깊은 토양 지역에서 물과 영양 이온의 흡수를 용이하게하기 위해 빽빽한 뿌리 털을 가지고 있습니다. 깊은 뿌리 시스템은 가파른 성장 각도로 자라는 많은 마디 뿌리로 구성됩니다. 결절 뿌리의 직경은 큰 물관부의 크기 및 수와 관련이 있으며, 전자는 0.5mm에서 5.0mm까지 크게 다양합니다. 이 결절 뿌리는 또한 뿌리 줄기 칼집을 형성하며, 외피 (exodermis)에서 lignified sclerenchyma를 보여주는 하피, 피질의 중간 부분에서 lysigenous aerenchyma, 비석에 전분 과립을 보여줍니다. 건축 및 형태학적 특성 외에도 뿌리에서 흘러나온 유기 화합물은 식물의 발아, 정착 및 생존을 결정하는 데 중요한 역할을 하며, 그럴듯한 대립요법 효과 및/또는 미생물 공생에 대한 친화력으로 작용합니다.

뿌리 효소 활성과 뿌리 뚜껑 색소 침착 및 부상 시 회춘 가능성을 포함한 형태의 세부 사항은 수경재배 배양으로 재배된 사탕수수 품종에서 문서화되었습니다9. 뿌리 성장은 뿌리 시스템의 형태와 크기 측면에서 토양 환경의 변화에 대한 매우 가소성 반응을 보여줍니다. 가장 효율적인 사탕수수 품종은 싹이 적거나 최적의 수이며, 그에 따라 뿌리 수가 적어 스트레스가 많은 조건에서 더 나은 생존을 돕습니다. 따라서 뿌리 체계에 대한 체계적인 연구는 모든 작물 개량 프로그램의 중요한 구성 요소를 형성해야 한다10. 뿌리에 초점을 맞춘 대부분의 실험은 대부분 발달 측면에 의존하는 반면, 기능적 가소성에 초점을 맞추는 것은 종종 부족합니다11. 구조적 분포 외에도 기능적 뿌리 가소성은 스트레스 하에서 생존하는 데 중요한 역할을 하므로 비생물적 스트레스 내성을 위한 선택 파이프라인에 뿌리 시스템 특성을 포함하고 사탕수수의 견고성을 개선하려는 육종가의 노력을 지원할 것입니다.

스트레스가 많은 환경에서 성장과 수확량을 유지하는 것의 중요성을 고려할 때 사탕수수의 뿌리 시스템 특성에 내재된 가변성을 탐색하고 활용하는 것이 필수적입니다. 우수한 뿌리 시스템을 부여하는 구성 요소 특성과 메커니즘의 선택에 중점을 두는 것은 변화하는 기후 조건에서 더 나은 작물 성능을 위한 방법입니다. 표현형 평가는 길고 비용이 많이 드는 프로세스입니다. 그러나 다각적인 접근 방식의 통합은 작물 개량에 대한 유용성에 엄청난 가치를 더할 것입니다. 이 원고에서는 사탕수수의 뿌리 표현형에 대한 4가지 접근 방식이 설명되어 있으며, 각 접근 방식에는 고유한 장점과 단점이 있어 포괄적이고 전체적인 결과에 도달하기 위해서는 공동의 노력이 필요함을 시사합니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

프로토콜

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 트렌치 샘플링에 의한 현장 굴착

  1. 좋은 작물 재배와 성장을 보장하기 위해 권장 관행 패키지(POP)에 따라 120cm, 90cm의 줄 간격으로 심은 두 개의 싹이 틔운 세트에서 밭에서 상업용 사탕수수 잡종(이하 "품종"이라고 함)을 재배합니다.
  2. 작물의 성숙 단계가 끝나면 굴착기를 사용하여 밭에 도랑 (깊이 1.5m, 너비 1.0m)을 파십시오. 지속적인 물 분사를 통해 뿌리를 손상시키지 않고 뿌리 영역의 토양이 제거되었는지 확인합니다(그림 1).
  3. 부착된 토양이 느슨해지면 뿌리 시스템과 함께 지팡이를 뿌리째 뽑고 실험실로 가져가 뿌리 수, 뿌리 길이, 부피 및 무게를 수동으로 측정합니다.

figure-protocol-1
그림 1: 뿌리의 현장 굴착을 위한 트렌치 샘플링 방법. (A) 들판을 따라 파낸 측면 트렌치, (B) 물 분사, (C) 트렌치의 깊이를 보여주는 내부 모습. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

2. 샘플링 오류를 줄이기 위한 루트 코어 샘플러

  1. 밭에서 사탕수수 뿌리 샘플링을 위해 연강(MS) 재료를 사용하여 제작한 높이 61cm, 무게 8kg 16cm의 원통형 뿌리 코어 샘플러를 사용합니다. 샘플러의 하단 가장자리에 날카로운 모서리를 제공하여 토양에 삽입하는 동안 쉽게 침투할 수 있도록 합니다. 샘플러를 들어 올릴 수 있도록 상단에 직경 3cm의 고리를 제공합니다(그림 2).
  2. 좋은 작물 재배와 성장을 보장하기 위해 권장되는 POP에 따라 120cm의 줄 간격으로 심고 90cm의 줄 간격에 심은 두 개의 싹이 틔운 세트에서 밭의 사탕 수수 품종을 재배합니다.
  3. 작물의 성숙 단계에서 샘플러의 상단 가장자리를 기본 새싹/지팡이에 고정하고 원하는 토양 깊이(45cm)에 도달하기 위해 계속 망치질합니다. 전체 토양 덩어리를 샘플러로 들어 올리고 흐르는 물에 조심스럽게 씻어 부착 된 뿌리를 분리합니다.
  4. 뿌리를 철저히 세척한 후 수동 측정을 통해 부피, 표면적, 길이 및 무게를 기록하고 투명 트레이에 뿌리를 펴서 참조된 소프트웨어를 사용하여 해당 디지털화된 이미지를 스캔하고 분석합니다( 재료 표 참조).

figure-protocol-2
그림 2: 루트 코어 샘플러. (A) 치수, (B) 평면도 및 (C) 샘플링 사이트. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

3. 다양한 표현기에서 샘플링을 용이하게 하는 뿌리 표현형 구조

  1. 사탕수수 뿌리의 샘플링을 위해 4.5m x 10.1m 크기의 인접한 3개의 구획으로 구성된 뿌리 표현형 구조를 구성하고, 측벽을 수동으로 해체하여 지하 뿌리 시스템(최대 80-100cm 깊이까지)을 드러낼 수 있는 준비를 합니다(그림 3). 길이 1.8m, 너비 30cm, 두께 4cm 크기의 프리캐스트 슬래브로 측벽을 구성합니다.
  2. 토양 통기를 용이하게 하기 위해 적절한 배수구가 있는 ~20cm의 머리 공간을 남겨두고 밭 흙으로 구조물을 채우고 압축합니다.
  3. Saccharum officinarum L., Saccharum spontaneum L., Saccharum barberi Jesw., Saccharum sinense Roxb., 및 Saccharum robustum Brandes 및 Jeswiet ex Grassl을 포함하는 생식질 클론의 새싹 칩을 파종합니다. (이하 "Saccharum spp. 클론"이라고 함) 발근 배지 (적토 : 농장 마당 분뇨 : 모래 = 2 : 2 : 1)를 포함하는 트레이에서 30 일 동안 발아시킵니다. 좋은 작물 설립과 성장을 보장하기 위해 권장되는 POP에 따라 90cm의 행 간격에서 60cm의 균일하고 건강한 정착을 구조물에 이식합니다.
  4. 형성 단계(심기 후 60-120일[DAP]) 및 대성장(120-150 DAP) 단계에서는 프리캐스트 슬래브로 만든 측벽을 수동으로 제거한 다음 워터 제트를 지속적으로 분사하여 뿌리를 노출시킵니다.
  5. 전체 뿌리 시스템을 뿌리째 뽑아 실험실로 가져가 길이, 부피 및 무게를 수동으로 측정하고, 뿌리를 투명 트레이에 펼쳐 놓고 참조된 소프트웨어에서 해당 디지털화된 이미지를 스캔하고 분석합니다( 재료 표 참조).
  6. 구획 중 하나에서 관개를 보류하여 가뭄 스트레스를 가하고 두 번째 구획의 배수구를 막아 토양 포화도를 유지하여 침수 스트레스를 시뮬레이션합니다. 권장 POP에 따라 세 번째 구획을 관개하여 필드 용량을 유지하고 제어 역할을 합니다.

figure-protocol-3
그림 3: 루트 표현형 구조. (A) 치수, (B) 세 구획의 개요, (C) 한 구획의 보기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

4. 근권 생물학을 연구하기 위한 식물의 수경 재배

  1. 뿌리 생물학의 세부 사항을 연구하기 위해 사탕수수를 재배하는 데 도움이 되는 환경 제어 온실에서 사내 수경 재배 시스템을 제작합니다. 수족관 펌프에 의해 제공되는 폭기와 함께 20cm x 20cm x 50cm 크기의 유리 탱크에 ~15L의 변형된 Hoagland's 영양 용액(표 1)을 추가합니다(그림 4).
  2. 사탕 수수 품종과 Saccharum spp. 클론의 새싹 칩을 파종하고 퇴비 코이어 속을 포함하는 트레이에서 30 일 동안 발아하도록 둡니다. 탱크당 3번의 침전 빈도로 균일하고 건강한 침전을 수경 재배 탱크에 이식하고 전체 뿌리를 영양 용액에 넣도록 주의하십시오. 뿌리가 빛에 노출되지 않도록 탱크를 검은 천으로 덮으십시오. 유리 탱크 가장자리에 플라스틱 메쉬 (20cm x 20cm)를 사용하여 식물을 똑바로 지탱하십시오.
  3. 발아 단계 (60 일)가 끝나면 광합성 활동이 최고조에 달하는 시간 동안 50 mL의 트랩 용액 (멸균 이중 증류수)에 4 시간 (0800 시간에서 1200 시간) 동안 손상되지 않은 식물의 뿌리를 담가 뿌리 삼출물을 수집합니다. 수집된 용액을 Whatman 여과지를 통해 여과한 다음 음이온 교환으로 채워진 유리 기둥에 통과시킨 다음 양이온 교환 수지12를 통과시킵니다. 용출된 분획을 건조시킬 때까지 증발시키고 추가 처리까지 -20 °C에서 보관합니다.
  4. 유기산12 측정을 위해 HPLC로 처리된 뿌리 삼출물 샘플을 분석하고 표준 프로토콜에 따라 총 페놀13, 단백질14, 당15 및 아미노산16 을 추정하기 위해 분광 광도법으로 분석합니다.
  5. 매주 간격으로 뿌리 성장을 모니터링하여 뿌리 끝 색소 침착과 뿌리 모발 밀도를 기록합니다. 표준 프로토콜에 따라 효소, peroxidase17 및 superoxide dismutase18의 활성과 총 페놀 함량19 를 3개월째에 평가합니다.
  6. 멸균 수술용 칼날을 사용하여 1차 뿌리에서 뿌리 끝까지 세로 슬라이스를 가하여 뿌리 손상에 대한 반응을 평가하고 주기적으로 변화를 모니터링합니다.
화학최종 집중
질산칼륨0.608 g· L-1
질산칼슘1.415g· L-1
인산이수소칼륨0.164 g· L-1
황산마그네슘0.560 g· L-1
EDTA-철 모노나트륨 염6.00 g·250L-1
붕산1.43 g·250L-1
염화망간 테트라하이드레이트0.91 g·250L-1
황산아연(Zinc sulphate)0.11 g·250L-1
구리수파테0.04 g·250L-1
몰리브딕산0.01 g250L-1

표 1: 사탕수수의 수경재배 배양을 위한 변형된 영양 용액의 조성.

figure-protocol-4
그림 4: 수경재배 설정. 설정은 (A) 사탕수수 재배를 위해 맞춤화되었으며 (B) 5개월 된 작물(사진 촬영 목적으로만 제거된 검은색 천)입니다. 이 그림은 Hari et al.9에서 수정되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

결과

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

사탕수수 품종의 뿌리 형태학적 특성의 변이
도랑 샘플링에 의해 현장에서 발굴되고 수경 재배 환경에서 자란 Co 62175의 뿌리 시스템의 대표적인 이미지가 그림 5A, B에 나와 있습니다. Co 62175 및 Co 99006 품종에서 긴 뿌리(~100cm)가 관찰되었으며, Co 99006이 가장 높은 뿌리 무게(127g·덩어리−1)를 기록했습니다. 뿌리 코어 샘플러를 사용하여 뿌리 형질을 기록한 결과, Co 62175는 누적 뿌리 길이, 뿌리 표면적 및 뿌리 부피와 관련하여 Co 99006에 비해 우수한 뿌리 시스템을 가지고 있음을 밝혔습니다(그림 5C-E). 그러나 평균 뿌리 직경은 Co 62175보다 Co 99006에서 더 높았습니다(그림...

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

토론

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

뿌리 시스템은 사탕수수의 지상 생산성을 정의하며, 기후에 탄력적인 품종을 개발하기 위해 사탕수수의 모든 측면을 철저히 탐구하고 이해해야 합니다. 식물 생리학자, 미생물학자, 농업 엔지니어, 생화학자 및 식물 육종가로 구성된 ICAR-SBI의 과학자 팀은 도랑 샘플링에 의한 현장 굴착, 뿌리 코어 샘플러 사용, 뿌리 샘플링을 위한 플랫폼 제기, 수경 재배 배양으로 식물 사육 등 사탕수수 뿌리 표현형을 위해 다각적인 접근 방식을 사용했습니다. 개별 방법론이 철저하거나 배타적이지 않을 수 있다는 점을 감안할 때, 이상적인 뿌리 표현형의 구성 요소 특성과 메커니즘을 밝히기 위해 정보 통합이 필요합니다. 초기의 루트 샘플링 방법은 이러한 노력에서 고립되었지만, 본 명세서에 기술된 전략을 개발하는 데 유용하였다.

벤카트라만(Venkatraman)과 토마스(Thomas)5 는 조사를 위한 ...

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

공개 사항

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

모든 저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.

감사의 글

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 코임바토르에 있는 ICAR-사탕수수 육종 연구소(ICAR-Sugarcane Breeding Institute) 소장이 사탕수수의 뿌리 표현형 분석 시설을 구축하기 위해 확장한 인프라와 지원을 인정합니다. 인도 정부 과학기술부 과학공학연구위원회(Science and Engineering Research Board)가 KV(ECR/2017/000738)에 대한 Early Career Research Award의 형태로 제공한 자금은 정식으로 인정됩니다. 저자는 세심한 방식으로 데이터를 생성하는 데 도움을 준 Brindha, Karpagam, Rajesh, Sivaraj 및 Amburose에게 감사를 표합니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
파이프라인 액세서리가 있는 폭기 펌프현지 출처에서 구입NA사탕수수 수경재배에 사용
붕산Sisco Research Laboratories, 인도80266변형된 Hoagland's 용액의 준비
질산칼슘Central Drug House, 인도27606변형된 Hoagland's 용액의 준비
퇴비화 된 야자나무 속현지 출처에서 구입NA사탕수수 세트를 발아시키는 데 사용됩니다.
황산구리(Curric sulphate)Sisco Research Laboratories, 인도38869변형된 Hoagland's 용액의 준비
DEAE-셀룰로오스Sisco Research Laboratories, 인도10529뿌리 삼출물 처리를 위한 음이온 교환 수지
EDTA-철 일나트륨염Sisco Research Laboratories, 인도59389변형된 Hoagland's 용액의 준비
농장 마당 거름현지 출처에서 구입NA사탕수수 세트를 발아시키는 데 사용됩니다.
유리 탱크자체 제작NA사탕수수 수경재배에 사용
HPLC애질런트 테크놀로지스1200 인피니티뿌리 삼출물의 유기산 정량
황산마그네슘Sisco Research Laboratories, 인도29117변형된 Hoagland's 용액의 준비
염화망간Sisco Research Laboratories, 인도75113변형된 Hoagland's 용액의 준비
몰리브드산Sisco Research Laboratories, 인도49664변형된 Hoagland's 용액의 준비
인산이수소칼륨Central Drug House, 인도29608변형된 Hoagland's 용액의 준비
질산칼륨Central Drug House, 인도29638변형된 Hoagland's 용액의 준비
프로트레이자체 제작NA사탕수수 세트를 발아시키는 데 사용됩니다.
붉은 토양현지 출처에서 구입NA사탕수수 세트를 발아시키는 데 사용됩니다.
루트 코어 샘플러자체 제작NA현장 루트 샘플링에 사용
모래현지 출처에서 구입NA사탕수수 세트를 발아시키는 데 사용됩니다.
세랄라이트-120Sisco Research Laboratories, 인도14891뿌리 삼출물 처리를 위한 양이온 교환 수지
지지 프레임현지 출처에서 구입NA사탕수수 수경재배에 사용
워터 모터 펌프현지 출처에서 구입NA사탕수수 수경재배에 사용
Whatman 여과지 등급 1유니버설 사이언티픽1001090뿌리 삼출물 처리
WinRhizo PRO(소프트웨어)Regent Instruments Inc., 캐나다STD4800루트 분석을 위한 소프트웨어가 포함된 2차원 루트 스캐너
황산아연Sisco Research Laboratories, 인도76455변형된 Hoagland's 용액의 준비

참고문헌

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO). Crops and livestock products. FAOSTAT. , Available from: http://www.fao.org/faostat/en/#data/QC (2019).
  2. Venkatraman, T. S., Thomas, R. Studies of sugarcane roots at different stages of growth. Agricultural Journal of India. 23, 166-176 (1928).
  3. Smith, D. M., Inman-Bamber, N. G., Thorburn, P. J. Growth and function of the sugarcane root system. Field Crops Research. 92 (2-3), 169-183 (2005).
  4. Glover, J. The behaviour of the root-system of sugarcane at and after harvest. Proceedings of the South African Sugar Technologists Association. 42, 133-135 (1968).
  5. Venkatraman, T. S., Thomas, R. Sugarcane root systems: Studies in development and anatomy. Agricultural Journal of India. 17 (4), 416-418 (1922).
  6. Saliendra, N. Z., Meinzer, F. C. Genotypic, developmental and drought-induced differences in root hydraulic conductance of contrasting sugarcane cultivars. Journal of Experimental Botany. 43 (9), 1209-1217 (1992).
  7. Gilbert, R. A., Rainbolt, C. R., Morris, D. R., Bennet, A. C. Morphological responses of sugarcane to long-term flooding. Agronomy Journal. 99 (6), 1622-1628 (2007).
  8. Shiotsu, F., Abe, J., Doi, T., Gau, M., Morita, S. Root morphology and anatomy of field-grown Erianthus arundinaceus. American Journal of Plant Sciences. 6 (1), 103-112 (2015).
  9. Hari, K., Vasantha, S., Anna Durai, A., Brindha, C., Shruthi, P. Sugarcane root growth and development in hydroponics system. Journal of Sugarcane Research. 7 (2), 71-82 (2017).
  10. Matsuoka, S., Garcia, A. A. F. Sugarcane underground organs: Going deep for sustainable production. Tropical Plant Biology. 4, 22-30 (2011).
  11. Koevoets, I. T., Venema, J. H., Elzenga, J. T. M., Testerink, C. Roots withstanding their environment: Exploiting root system architecture responses to abiotic stress to improve crop tolerance. Frontiers in Plant Science. 7, 1335(2016).
  12. Vengavasi, K., Pandey, R. Root exudation index: Screening organic acid exudation and phosphorus acquisition efficiency in soybean genotypes. Crop and Pasture Science. 67 (10), 1096-1109 (2017).
  13. Bray, H. G., Thorpe, W. V. Analysis of phenolic compounds of interest in metabolism. Methods of Biochemical Analysis. 1, 27-52 (1954).
  14. Lowry, O. H., Rosebrough, N. J., Farr, A. L., Randall, R. J. Protein measurement with the folin phenol reagent. The Journal of Biological Chemistry. 193 (1), 265-275 (1951).
  15. Hedge, J. E., Hofreiter, B. T. Determination of total carbohydrate by anthrone method. Carbohydrate Chemistry: Volume 17. , Academic Press. New York. (1962).
  16. Moore, S., Stein, W. H. Polyphenol oxidase. Methods in Enzymology. Vol 468. , Academic Press. New York. (1948).
  17. Malik, C. P., Singh, M. B. Plant Enzymology and Histo-enzymology: A text manual. , Kalyani Publications. New Delhi. (1980).
  18. Beauchamp, C., Fridovich, I. Superoxide dismutase: Improved assays and an assay applicable to acrylamide gels. Analytical Biochemistry. 44, 276-287 (1971).
  19. Singleton, V. L., Rossi, J. A. Colorimetry of total phenolics with phosphomolybdic- phosphotungstic acid reagents. American Journal of Enology and Viticulture. 16, 144-158 (1965).
  20. Rege, R. D., Wagle, P. V. Problems of sugarcane physiology in the Deccan canal tract. III. The root-system. The Indian Journal of Agricultural Science. 2 (3), 356-373 (1940).
  21. Ryker, T. C., Edgerton, C. W. Studies on sugar cane roots. LSU Agricultural Experiment Station Reports. 223, (1931).
  22. Jensen, J. H. Some studies of root habits of sugar cane in Cuba. The Tropical Plant Research Foundation. , New York. (1931).
  23. Kücke, M., Schmid, H., Spiess, A. A comparison of four methods for measuring roots of field crops in three contrasting soils. Plant and Soil. 172 (1), 63-71 (1995).
  24. Noordwijk, M., et al. Trench Profile Techniques and Core Break Methods. Root Methods: A handbook. , Springer. Berlin, Heidelberg. (2001).
  25. De Azevedo, M. C. B., Chopart, J. L., Medina, C. C. Sugarcane root length density and distribution from root intersection counting on a trench-profile. Scientia Agricola. 68 (1), 94-101 (2011).
  26. Nissen, T., Rodriguez, V., Wander, M. Sampling soybean roots: A comparison of excavation and coring methods. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 39 (11-12), 1875-1883 (2008).
  27. Burridge, J. D., et al. An analysis of soil coring strategies to estimate root depth in maize (Zea mays) and common bean (Phaseolus vulgaris). Plant Phenomics. 2020, 3252703(2020).
  28. Schroth, G., Kolbe, D. A method of processing soil core samples for root studies by subsampling. Biology and Fertility of Soils. 18, 60-62 (1994).
  29. Chandran, K., Nisha, M., Arun Kumar, R., Krishnapriya, V. Breeding varieties resistant to waterlogging. ICAR-SBI Annual Report 2016-17. , 128(2016).
  30. Wu, Q., Wu, J., Zheng, B., Guo, Y. Optimizing soil-coring strategies to quantify root-length-density distribution in field-grown maize: Virtual coring trials using 3-D root architecture models. Annals of Botany. 121 (5), 809-819 (2018).
  31. Joshi, D. C., et al. Development of a phenotyping platform for high throughput screening of nodal root angle in sorghum. Plant Methods. 13, 56(2017).
  32. Koyama, T., Murakami, S., Karasawa, T., Ejiri, M., Shiono, K. Complete root specimen of plants grown in soil-filled root box: Sampling, measuring, and staining method. Plant Methods. 17, 97(2021).
  33. Gomathi, R., Gururaja Rao, P. N., Chandran, K., Selvi, A. Adaptive responses of sugarcane to waterlogging stress: An overview. Sugar Tech. 17, 325-338 (2014).
  34. Misra, V., et al. Morphological assessment of water stressed sugarcane: a comparison of waterlogged and drought affected crop. Saudi Journal of Biological Sciences. 27 (5), 1228-1236 (2020).
  35. Robinson, N., et al. Sugarcane genotypes differ in internal nitrogen use efficiency. Functional Plant Biology. 34 (12), 1122-1129 (2007).
  36. Arruda, B., et al. Biological and morphological traits of sugarcane roots in relation to phosphorus uptake. Journal of Soil Science and Plant Nutrition. 16 (4), 901-915 (2016).
  37. Sharma, S., Borah, P., Meena, M. K., Bindraban, P., Pandey, R. Evaluation of genotypic variation for growth of rice seedlings under optimized hydroponics medium. Indian Journal of Genetics and Plant Breeding. 78 (3), 292-301 (2018).
  38. Soumya, P. R., Singh, D., Sharma, S., Singh, A. M., Pandey, R. Evaluation of diverse wheat (Triticum aestivum) and triticale (× Triticosecale) genotypes for low phosphorus stress tolerance in soil and hydroponic conditions. Journal of Soil Science. 21, 1236-1251 (2021).
  39. Ganie, A. H., et al. Metabolite profiling and network analysis reveal coordinated changes in low-N tolerant and low-N sensitive maize genotypes under nitrogen deficiency and restoration conditions. Plants. 9 (11), 1459(2020).
  40. Venkatraman, T. S., Thomas, R. Simple contrivances for studying root development in agricultural crops. Agricultural Journal of India. 18, 509-514 (1923).
  41. Clark, R. T., et al. High-throughput two-dimensional root system phenotyping platform facilitates genetic analysis of root growth and development. Plant, Cell and Environment. 36 (2), 454-466 (2013).
  42. Chopart, J. L., Rodrigues, S. R., Azevedo, M. C. B., Medina, C. C. Estimating sugarcane root length density through root mapping and orientation modelling. Plant and Soil. 313, 101-112 (2008).
  43. Chopart, J. L., Azevedo, M. C. B., Le Mezo, L., Marion, D. Functional relationship between sugarcane root biomass and length for cropping system applications. Sugar Tech. 12 (3-4), 317-321 (2010).
  44. De Silva, A. L. C., De Costa, W. A. J. M., Bandara, D. M. U. S. Growth of root system and the patterns of soil moisture utilization in sugarcane under rain-fed and irrigated conditions in Sri Lanka. Sugar Tech. 13 (3), 198-205 (2011).
  45. Otto, R., Silva, A. P., Franco, H. C. J., Oliveira, E. C. A., Trivelin, P. C. O. High soil penetration resistance reduces sugarcane root system development. Soil and Tillage Research. 117, 201-210 (2011).

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재인쇄 및 허가

이 JoVE 논문의 텍스트 또는 그림 재사용 허가 요청

허가 요청

태그

관련 논문