Biophysical factors controlling root exudation and rhizosphere extension

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Holz, Maire:
Biophysical factors controlling root exudation and rhizosphere extension.
2020 . - XIX, 125 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The rhizosphere, the region of soil near the roots, plays a crucial role in water and nutrient uptake by plants because root exudates enhance microbial activity and nutrient availability to plants. The degree to which root exudates can interact positively with plants depends on their spatiotemporal distribution around the roots. The objective of this work was therefore to understand what factors control the spatiotemporal distribution of root exudates in soil. We investigated how root traits such as root hairs and mucilage secretion and rhizosphere water related properties mediate the distribution of root exudates in soil. The first experiment focused on the effect of soil drying on rhizosphere extension. We coupled 14CO2 labelling and phosphor imaging of plants with neutron radiography to image 14C allocation and rhizosphere water content (WC). Exudate distribution around growing roots was predicted by a numerical model. Plants grown in dry and wet soil allocated similar amounts of 14C into roots but root elongation decreased by 48% in dry soil, reducing longitudinal rhizosphere extension. Rhizosphere WC was identical in dry and wet soils, presumably because of the high water retention by mucilage. The increase in rhizosphere WC enhanced root exudation in dry soil and enlarged the radial rhizosphere extension. The release of mucilage may be beneficial to plants because it maintains fast diffusion of exudates and high rhizospere extension under water limitation. Alongside low molecular carbon compounds, roots release enzymes to mineralize nutrients. The objective of the second experiment was therefore to test how the local soil WC affects phosphatase activity in soil. Barley plants were grown in rhizoboxes and subjected to a drying cycle, while soil water content (WC) and phosphatase activity were monitored by neutron radiography and soil zymography.. Phosphatase activity and soil WC were strongly correlated in rhizosphere and bulk soil. The power-law relation between soil WC and enzyme activity confirmed our hypothesis that enzyme activity is controlled by diffusion. Phosphatase activity in the rhizosphere, having a high WC compared to the bulk soil, was significantly larger than phosphatase activity in the bulk soil. This can be explained by mucilage released into the rhizosphere which retain water upon soil drying. The first two studies highlight the effect of mucilage on root exudate distribution. However, so far no method is available to measure the spatial distribution of mucilage in soil. The aim of the third experiment was therefore to test whether the C-H signal caused by fatty acids in mucilage can be measured with infrared (IR) spectroscopy to determine the spatial distribution of mucilage in soil. Measurements were carried out along transects of 1.5 mm perpendicular to root channels of plants grown in rhizoboxes. We measured distinct profiles of C-H and the amounts of mucilage we measured were comparable with results obtained in previous studies. IR spectroscopy is therefore a promising tool to measure the spatial distribution of mucilage in soil. The aim of the fourth study was to test whether root hairs exude C to enlarge rhizosphere extension. Barley wild type (WT) and its root-hairless mutant (brb) were grown in rhizoboxes and labelled with 14CO2. Root exudates were captured on filter paper and quantified by phosphor imaging. WT plants allocated more carbon (C) below ground while the hairless mutant allocated more C to shoots. Root hairs increased the radial rhizosphere extension 3-fold, from 0.5 to 1.5 mm. Total exudation was 3 times greater for WT plants compared to the hairless mutant. The increase in rhizosphere extension may enhance the positive effect of root exudates to plants. While 14C imaging of root exudates on filter paper was successfully applied in the fourth study, this approach is restricted to moist soil conditions. In the last study we therefore tested whether 14C imaging on the soil-root surface can be applied to quantify root exudates. The attenuation coefficient of 14C in soil was calculated and the expected 14C profiles were calculated. The profiles were strongly affected by: a) the 14C activity in the root, b) the root radius, c) the position of the root, d) the amount of root exudates and e) by the presence of air gaps between soil and imaging screen. Inaccurate measurements of any of these parameters would cause artefacts in the estimation of root exudates distribution in the rhizosphere using phosphor imaging. By combining complementary imaging methods and numerical modelling we showed that root hair production and mucilage release increase rhizosphere extension and total exudation. Mucilage movement was restricted to shorter distances from the root surface (0.6 mm) compared to overall exudates (1.2 mm). Nevertheless, mucilage’s water retention strongly affects the diffusion of low molecular root exudates and enzymes. Root hairs increase total exudation and rhizosphere extension, which probably enhances rhizosphere interactions in larger soil volumes. Breeding for long and dense root hairs as well as increased mucilage secretion may be suitable strategies for future agriculture where nutrients are expected to become scarce

Abstract in weiterer Sprache

DIe Rhizosphäre, der Boden der die Pflanzenwurzeln umgibt, spielt eine zentrale Rolle für die Nähstoff- und Waseraufnahme der Pfanzen da Wurzelexsudate, die von der Wurzel abgegeben werden die mikrobielle Aktivität und die Nährstofverfgbarkeit erhöhen. Das Ausmaß, mit dem Wurzelexsudate positiv mit der Pflanze interagieren können, hängt vor allem von der räumlichen und zeitlichen Verteilung der Wurzelexsudate in der Rhizosphäre ab. Das Ziel dieser Arbeit war es daher, zu untersuchen welche Faktoren die räumliche und zeitliche Verteilung der Wurzelexsudate im Boden bestimmen. Der Fokus lag dabei sowohl auf Wurzeleigenschaften wie der Produktion von Wurzelhaaren und der Abgabe von Mucilage als auch auf der Wasserverteilung in der Rhizosphäre. Der Schwerpunkt des ersten Experiments lag auf der Untersuches des Effekt von Trockenstress auf die Verteilung von niedermolekularen Wurzelexsudaten im Boden. Pflanzen wurden mit 14CO2 markiert um die 14C Verteilung in Pflanzen und Boden mithilfe von Phosphor Imaging zu untersuchen. Der Wassergehalt in der Rhizosphäre wurde mithilfe von Neutronenradiographie quantifiziert. Die Abgabe und Verteilung der Exsudate wurde durch ein numerisches Modell vorhergesagt. Pflanzen im trockenen und feuchten Boden verlagerten gleich viel 14C in die Wurzeln allerdings war das Wurzelwachstum für Pflanzen im trockenen Boden um 48% reduziert. Das führte zu einer starken Reduzierung der longitudinalen Rhizosphärenausdehnung. Der Wassergehalt in der Rhizosphäre war identisch im trockenen und feuchten Boden was durch Mucilage erklärte werden kann, die große Mengen an Wasser im Boden zurückhält. Der erhöhte Wassergehalt in der Rhizosphäre steigerte die Wurzelexsudation und die Rhizosphärenausdehnung besonders im trockenen Boden. Die Abgabe von Mucilage ist daher vorteilhaft für die Pflanze da sie die Diffusion von Wurzelexsudaten und die Rhizosphärenausdehnung besonders bei Wasserknappheit erhöht. Neben niedermolekularen Wurzelexsudaten scheiden Wurzeln Enzyme aus um Nährstoffe zu mineralisieren. Das Ziel der zweiten Studie war es daher, zu untersuchen, wie der lokale Bodenwassergehalt die Phosphataseaktivität im Boden beeinflusst. Gerstenpflanzen wurden in Rhizoboxen angezogen und Neutronenradiographie mit Zymography kombiniert. Die Messungen wurden während eines Trockenzyklus durchgeführt. Die Phosphataseaktivität korrelierte stark mit dem Bodenwassergehalt sowohl im Rhizosphärenboden als auch im Gesamtboden. Die Tatsache, dass die Korrelation zwischen Enzymaktivität und Wassergehalt durch eine Potenzfunktion beschrieben wurde, bestätigte unsere Hypothese, dass die Enzymaktivität im Boden vor allem durch Diffusion bestimmt wird. Die Phosphataseaktivität in der Rhizosphäre war im Vergleich zum Gesamtboden erhöht, da diese einen erhöhen Wassergehalt im Vergleich zum Gesamtboden aufwies. Diese Beobachtung kann durch Mucilage und EPS erklärt werden, die in die Rhizosphäre abgegeben werden und besonders under trockenen Bedingungen Wasser im Boden zurückhalten. Die ersten beiden Studien heben die Bedeutung von Mucilage für die Verteilung der Wurzelexsudate im Boden hervor. Allerdings gibt es bisher keine Methode um die räumliche Verteilung von Mucilage im Boden zu messen. In der dritten Studie testeten wir daher ob das C-H Signal, das durch Fettsäuren verursacht wird, die in Mucilage enthalten sind, mithilfe von infrarot Spektroskopie (IR) gemessen werden kann und ob mit dieser Methode die räumliche Verteilung von Mucilage im Boden bestimmt werden kann. Die Messungen wurden entlang von 1.5 mm langen Transekten durchgeführt, die rechtwinklig zum Wurzelkanal der Pflanzen gelegt wurden. Die Ergebnisse zeigten deutliche Profile des C-H Signals, das von der Wurzel weg abfiel. Der gemessene Mucilagegehalt im Boden war vergleichbar mit den Ergebnissen voriger Studien. IR Spektroskopie stellt daher eine vielversprechende Methode für die Messung der räumlichen Verteilung von Mucilage im Boden dar. Das Ziel der vierten Studie war es, zu testen obWurzelhaare organische Substanzen in den Boden abgeben und daher die Rhizosphärenausdehnung vergrößern. Gerste (WT) mit Wurzelhaaren und der vergleichbare Mutant ohne Wurzelhaare (brb) wurden in Rhizoboxen angezogen und mit 14CO2 markiert. Die Wurzelexsudate wurden auf Filterpapier aufgefangen und mithilfe von Phospor Imaging quantifiziert. Pflanzen mit Wurzelhaaren verlagerten mehr Kohlenstoff (C) in den Boden, während Pflanzen ohne Wurzelhaare mehr C in den Spross verlagerten. Wurzelhaare führten zu einer 3-fach erhöhten Rhizosphärenausdehnung von 0.5 zu 1.5 mm. Die gesamte Exsudation war ebenfalls 3-fach erhöht für Pflanzen mit Wurzelhaaren verglichen mit dem Mutanten ohne Wurzelhaare. Die erhöhte Rhizosphärenausdehnung erhöht vermutlich die positiven Interaktionen zwischen Wurzelexsudaten und Pflanzen und ist daher vorteilhaft für die Pflanzen. Während 14C Imaging von Wurzelexsudaten auf Filterpapier erfolgreich in der vorigen Studie angewandt wurde, ist dieser Ansatz auf feuchte Bodenbedingungen beschränkt. Das Ziel der letzten Studie war es daher zu testen, ob 14C Imaging direkt auf der Boden-Wurzeloberfläche angewandt werden kann um Wurzelexsudate zu visualisieren und zu quantifizieren. Der Abschwächungskoeffizient von 14C im Boden wurde berechnet und die zu erwartenden 14C Profile berechnet. Die Profile waren stark beeinflusst von a) der 14C Aktivität der Wurzel, b) dem Wurzelradius, c) der Position derWurzel im Boden, d) der Menge derWurzelexsudate im Boden und e) von möglichen Luftspalten zwischen Boden und Imaging Screen. Eine ungenaue Messung von einem dieser Parameter würde zu Artefakten in der Schätzung der Verteilung der Wurzelexsudate in der Rhizosphäre führen. Durch die Kombination von verschiedenen bildgebenden Verfahren und numerischer Modellierung konnten wir zeigen, dass die Abgaben von Mucilage und die Produktion von Wurzelhaaren zu einer Erhöhung der Wurzelexsudation und der Rhizosphärenausdehnung führt. Mucilage war in einem engeneren Umkreis um die Wurzel verteilt (0.6 mm) als die gesamten Wurzelexsudate (1.2 mm). Es kann allerdings angenommen werden, dass sie aufgrund ihrer Wasserhaltefähigkeit trotzdem einen großen Ein- fluss auf die Verteilung von niedermolekularen Wurzelexsudaten und von Enzymen hat. Wurzelhaare führten zu einer erhöhten Wurzelexsudation und erweiterten die Ausdehnung der Rhizosphäre was vermutlich zu erhöhten Interaktionen in größeren Bodenvolumina führt. Die Züchtung auf sowohl erhöhte Mucilage Sekretion als auch auf lange und dichte Wurzelhaare könnte daher eine angemessene Strategie für die zukünftige Landwirtschaft sein, da Nährstoffe voraussichtlich knapper werden.