Imaging von pH- und CO₂-Dynamiken in der Rhizosph?re

Pflanzenwurzel-Boden-Interaktionen quantifiziert mit dem VisiSens? System

Prototyp VisiSens? Ger?te für die pH- und CO₂-Bildgebung wurden verwendet, um kontinuierliche und hochaufgel?ste Messungen in Rhizobox-Systemen durchzuführen. Der pH-Wert wurde an Hartweizenwurzeln gemessen, die mit Kichererbsenwurzeln durchsetzt waren, w?hrend die CO₂-Dynamik in der Rhizosph?re von Viminaria juncea aufgezeichnet wurde. Die zweidimensionalen Analytkarten zeigten, dass Weizenwurzelspitzen leicht ans?uerten, w?hrend die Wurzelhaarzone die Rhizosph?re basisch machte. Kichererbsenwurzeln s?uerten die Umgebung stark an, au?er in Regionen, in denen sie mit Weizenwurzeln kreuzten, welche alkalischer blieben. CO₂-Messungen zeigten, dass die wachsende Wurzel von Vininaria juncea Einfluss auf den CO₂-Gehalt des Bodens in ihrer Umgebung hatte. Nicht-invasive Bildgebung mit planaren Optroden ist eine ideale Methode in der heterogenen Umgebung von Wurzelforschungsanwendungen.

Die Region des Bodens, die direkt von Wurzeln und assoziierten Mikroorganismen beeinflusst wird, hei?t Rhizosph?re. Die Untersuchung biochemischer Prozesse in dieser sehr heterogenen und nichtsterilen Umgebung ist sehr schwierig und oft durch die zur Verfügung stehende ?berwachungstechnologie sehr eingeschr?nkt. In dieser Studie wurden chemische optische Sensorfolien verwendet, um die pH- und CO₂-Dynamiken in der Umgebung wachsender Wurzeln verschiedener Pflanzenarten aufzuzeichnen. Die Prototyp pH- und CO₂-Bildgebungsger?ten (VisiSens? A2 und A3, PreSens) erlauben eine nicht-invasive Messung dieser Schlüsselparameter in der Rhizosph?re, so dass naturnahe Anordnungen untersucht werden konnten. Dazu wurden chemisch-optische Sensorfolien in Rhizoboxen angebracht und 2-dimensionale Analytkarten mit den VisiSens? Fluoreszenzmikroskopen aufgenommen.

Material & Methoden

Hartweizen (Triticum turgidum durum 'LA 1823') und Kichererbse (Cicer arietium 'ILC 01302', nicht mit Mesorhizobium ciceri geimpft) wurden unter Gew?chshausbedingungen (25 ± 2 °C, 8 / 16 h Dunkel / Hell-Zyklen, 50 - 55 % relative Luftfeuchtigkeit) herangezogen. Zwei Wochen nach der Keimung wurden beide Arten zusammen in eine Rhizobox (40 x 20 x 2 cm) gepflanzt, um die Wurzelwechselwirkungen zwischen den Arten zu untersuchen. Die Rhizobox wurde in einer Klimakammer (20 °C, 10 / 14 h Dunkel / Hell-Zyklus, 200 μmol Photonen m^-2 s^-1, 60 % rel. Feuchte) aufbewahrt. Die Box hatte eine einzige Frontplatte, die zur Montage der Sensorfolien entfernt werden musste (Abb. 1 A). W?hrend des Wurzelwachstums wurden interessante Untersuchungsbereiche in den Wurzelsystemen ausgew?hlt, d. h. wo Wurzeln beider Arten sich kreuzten, um die r?umliche und zeitliche Dynamik von pH-?nderungen zu überwachen. Nach der Installation der Sensorfolie wurden die Rhizoboxen um 30 ° aus der Vertikalen gekippt, um das Wurzelwachstum direkt hinter der Sensorfolie zu erzwingen. Wir befestigten die Kamera 60 mm von den Sensorfolien entfernt, um die pH-Dynamik über die n?chsten Tage in 10 min-Intervallen zu überwachen. Viminaria juncea wurde in einer Klimakammer (20 °C, 10 / 14 h Dunkel / Hell-Zyklus, 200 μmol Photonen m^-2 s ^-1, 60 % rel. Feuchte) gezogen. Für die Experimente wurde sie in eine wasserges?ttigte, mit Sand gefüllten Rhizobox (40 x 20 x 2 cm) gepflanzt. Die Bodentemperatur wurde konstant bei 20 °C gehalten, um w?hrend der gesamten Experimente gleiche Respirationsraten von Wurzeln und Mikroorganismen aufrechtzuerhalten. Die Rhizobox musste ge?ffnet werden, um die CO₂-Sensorfolien an der Frontplatte der Box zu befestigen (Abb. 1 B). Nach dem Schlie?en wurde die Rhizobox um 30 ° aus der Vertikalen gekippt. Danach wurde die Rhizobox erneut mit N?hrmedium durchfeuchtet. Nach 1 d ?quilibrierung wurde die VisiSens? A3 Detektoreinheit auf der Frontplatte gegenüber der Sensorfolie befestigt und der CO₂-Gehalt der Fl?che über die n?chsten 3 Tage in 10 min-Intervallen gemessen.

pH in der Umgebung von Weizen- und Kichererbsenwurzeln in Zwischenfruchtanbau

Wir beobachteten die pH-Dynamik in einer Rhizobox, in der beide Arten - Hartweizen und Kichererbse – zusammen wuchsen, über 10 Tage mit dem Prototyp VisiSens? A2. Die Karten zeigten pH-?nderungen um sich entwickelnde seitliche Wurzeln der Kichererbse und einer wachsenden Weizenwurzel. Die Spitze der wachsenden Weizenwurzel zeigte entlang der Elongationszone einen anges?uerten Bereich (von pH 8 bis pH 7). Diese Ans?uerung h?rte auf, als die Elongationsszone vorbeizog und Wurzelhaare gebildet wurden (Abb. 2, oben links). Der Boden wurde wahrscheinlich aufgrund der gro?en Nitrataufnahme der Wurzeln alkalisiert. Die überschüssige Anionenaufnahme wurde durch Protoneneinstrom kompensiert. Mit den chemisch-optischen Sensoren konnte selbst die leichte Ans?uerung an wachsenden Wurzelspitzen nachgewiesen werden, was mit anderen Messmethoden m?glicherweise nicht bemerkt worden w?re. Hier fand eine st?rkere Aufnahme von Anionen als von Kationen statt, was mit dem in der Literatur beschriebenen S?uremechanismus übereinstimmt. In der Mitte unserer Aufnahmen wuchs eine Kichererbsenwurzel von oben nach unten und entwickelte w?hrend des untersuchten Zeitraums zwei seitliche Wurzeln. Die Hauptwurzel und die basalen Teile der Seitenwurzeln s?uerten ihre Rhizosph?re stark an - auf pH 6 oder tiefer (Abb. 2). Nur in dem Bereich, in dem die Weizenwurzel die Kichererbsenwurzel kreuzte, blieb die Rhizosph?re in der oberen linken Ecke alkalischer. Die Spitze der oberen lateralen Kichererbsenwurzel zeigte eine klar lokalisierte Ans?uerungszone, die sich über die Zeit mit dem Wurzelwachstum durch das Substrat bewegte.

CO₂ in der Umgebung von Viminaria juncea Wurzeln

Eine wachsende Wurzelspitze von V. juncea zeigte w?hrend eines dreit?gigen Monitorings mit dem Prototyp VisiSens? A3 erh?hte pCO₂-Spiegel (Abb. 3). pCO₂ ver?nderte sich zusammen mit der wachsenden Wurzel und erreichte Werte von bis zu 70 % CO₂. Dieser starke Einfluss auf den pCO₂-Gehalt des Bodens wurde in einem Bereich von mehreren Millimetern um die wachsende Wurzel herum nachgewiesen. Die Ver?nderungen in pCO₂ wurden wahrscheinlich nicht nur durch autotrophe Atmungsaktivit?t sondern auch durch heterotrophe Aktivit?t eines Biofilms auf der Wurzeloberfl?che verursacht. Die wasserges?ttigten Bedingungen bewirkten - aufgrund der verringerten Diffusion von CO₂ in Wasser - einen Anstieg des CO₂. Die Sensorfolien erwiesen sich als geeignetes Werkzeug zur Messung von CO₂ und der r?umlichen Verteilung von Hotspots biologischer Aktivit?t im Boden.

Zusammenfassung

Mit den neuen Prototypsystemen konnten wir pH-?nderungen in sehr heterogenen und dynamischen Mikroumgebungen überwachen und sogar gegens?tzliches Verhalten für Wurzeln verschiedener Pflanzenarten nachweisen. Die CO₂-Sensorfolien gaben uns die M?glichkeit, v?llig neue Erkenntnisse zu gewinnen. Die Generierung quantitativer Karten von Schlüsselparametern der Rhizosph?re mit hoher r?umlicher Aufl?sung ist ein gro?er Vorteil. Die VisiSens? Systeme erwiesen sich bei der Untersuchung von Wurzel-Boden-Interaktionen als gro?er Fortschritt. Da die Systeme relativ einfach zu handhaben sind und bald die M?glichkeit besteht, noch mehr Analyten zu messen, k?nnten sich diese Ger?te in der Wurzelforschung etablieren.

Applikationsbericht nach
Blossfeld, et al.: Quantitative imaging of rhizosphere pH and CO₂ dynamics with planar optodes, Annals of Botany (2013) 112 (2), 267 - 276