Name: a method to preserve wetland roots and rhizospheres for elemental imaging
Uploaded: 2021-02-15T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Method to Preserve Wetland Roots and Rhizospheres for Elemental Imaging at JoVE.com

Forfatterne anerkjenner et felles frøstipend til Seyfferth og Tappero for å støtte samarbeidet mellom University of Delaware og Brookhaven National Laboratory. Deler av denne forskningen brukte XFM (4-BM) Beamline fra National Synchrotron Light Source II, et amerikansk institutt for energi (DOE) Office of Science User Facility som drives for DOE Office of Science av Brookhaven National Laboratory under Contract No. DE-SC0012704.

1. Tilberedning av slamfrysende utstyr
<ol><li>Plasser to kobberblokker (~ 5 cm x 5 cm x 15 cm) horisontalt inne i en ren kjøler som er i stand til å holde flytende nitrogen og hell nok flytende nitrogen til å nedsenke blokkene. Når boblen avtar, plasser to avstandsstykker på toppen av en kobberblokk i hver ende. MERK: Avstandshøyden bestemmer høyden på prøven som skal fryses; I dette eksemplet brukes en avstandsstykke på 2 cm til å lage kuber ca. 3 cm x 3 cm x 2 cm. Volumet av flytende nitrogen vil avhen...

Dette dokumentet beskriver en protokoll for å oppnå bevart bulkjord + rhizosfærer av våtmarksplanterøtter ved hjelp av en slamfrysende teknikk som kan brukes til elementær avbildning og / eller kjemisk spesieringskartlegging.
Det er flere fordeler med denne metoden i forhold til eksisterende metoder. For det første tillater denne metoden samtidig undersøkelse av røtter og de omkringliggende rhizosfærene. Metoder eksisterer for tiden for å bevare og kjemisk bilde røtter ut av jordmi...

Røtter og deres rhizosfærer er dynamiske, heterogene og kritisk viktige for å forstå hvordan planter får mineralske næringsstoffer og forurensninger1,2,3. Røtter er den primære veien hvor næringsstoffer (f.eks. fosfor) og forurensninger (f.eks. arsen) beveger seg fra jord til planter og dermed forstår at denne prosessen har implikasjoner for matmengde og kvalitet, økosystemfunksjon og fytoremediering. Imidlertid er røtter dynamiske i rommet og tiden vokser som svar på næringsanskaffelsesbehov, og de varierer ofte i funksjon, diameter og struktur (f.eks. laterale røtter, eventyrlige røtter, rothår)2. Heterogenitet av rotsystemer kan studeres på romlige skalaer fra cellulært til økosystemnivå og på tidsskalaer fra time til decadal. Dermed gir den dynamiske og heterogene naturen til røtter og deres omkringliggende jord, eller rhizosfære, utfordringer for å fange rhizosfærekjemi over tid. Til tross for denne utfordringen er det viktig å studere røtter i jordmiljøet for å karakterisere dette kritiske plantejordforholdet.
Rhizosfærens kjemi av våtmarksplanter er spesielt utfordrende å undersøke på grunn av bratte oksygengradienter som eksisterer fra bulkjord til røttene, som endres i rom og tid. Fordi røtter trenger oksygen for å puste, har våtmarksplanter tilpasset seg de lave oksygenforholdene til våtmarksjord ved å skape aerenchyma4,5. Aerenchyma er uthulet kortikale vev som strekker seg fra skudd til røtter, slik at diffusjon av luft gjennom planten inn i røttene. Noen av disse luftlekkasjene lekker imidlertid inn i rhizosfæren i mindre suberiserte deler av røttene, spesielt i nærheten av laterale rotkryss, mindre modne rotspisser og forlengelsessoner6,7,8,9. Dette radiale oksygentapet skaper en oksidert sone i rhizosfæren av våtmarksplanter som påvirker rhizosfære (bio-geo)kjemi og skiller seg fra den redusertebulkjorden 10,11,12. For å forstå skjebnen og transporten av næringsstoffer og forurensninger i våtmarks rhizosfærer og røtter, er det viktig å bevare kjemisk redusert bulkjord, oksidert rhizosfære og røtter av våtmarksplanter for analyse. Men fordi bulkjorden inneholder reduserte jordbestanddeler som er oksygenfølsomme, må rot- og jordbevaringsmetoder bevare rotstrukturer og minimere oksygenfølsomme reaksjoner.
Metoder eksisterer for å fikse plantevev og bevare ultrastruktur for avbildning, men disse metodene kan ikke brukes til kjemisk bevare røtter som vokser i våtmarksjord. For undersøkelser der bare elementær fordeling i planteceller er ønsket, dyrkes planter vanligvis hydroponisk, og røtter kan enkelt fjernes fra løsningen, festes under høytrykksfrysing og fryseerstatning og seksjoneres for en rekke bildebehandlingsapplikasjoner, inkludert høyoppløselig sekundær ionmassespektrometri (nanoSIMS), elektronmikroskopi og synkrotron røntgenfluorescens (S-XRF) analyse13, 14,15. For å undersøke Fe plakk på utsiden av våtmarksrøtter, må disse hydroponiske studiene kunstig indusere Fe plakkdannelse i løsning16, som ikke nøyaktig representerer heterogeniteten til fordelingen og mineralsammensetningen av Fe plakkdannelse og tilhørende elementer in situ17,18,19,20. Metoder eksisterer for å bevare våtmarksjord og tilhørende mikroorganismer med fryse-coring21, men det er vanskelig å få røtter med denne teknikken. Nåværende metoder for å visualisere røtter som vokser i jord og deres rhizosfæriske kjemi består av to primære måletyper: elementære fluxer og total elementær konsentrasjon (og spesiering). Førstnevnte måles vanligvis ved hjelp av diffusive gradienter i tynne filmer (DGT)22,23,24, der jord plasseres i rhizobokser for å støtte plantevekst i et laboratorium og labile elementer i jorda diffuse gjennom en gel i et bindende lag. Dette bindingslaget kan deretter avbildes for å kvantifisere de labile elementene av interesse. Denne teknikken kan med hell illustrere sammenhenger mellom røtter og rhizosfæren24,25,26,27, men gjenstander fra rotbegrensende kan eksistere ved å dyrke planter i rhizobokser, og informasjon om rotinteriøret er ikke fanget med DGT. Sistnevnte innebærer prøvetaking av røttene og rhizosfæren, bevaring av prøven og direkte analyse av elementær fordeling på en prøveseksjon. For denne miljøprøvetakingen av våtmarksplanterøtter og deres omkringliggende rhizosfære er det nødvendig med forsiktig prøvehåndtering for å unngå gjenstander fra prøvepreparering.
Her beskrives en protokoll som effektivt bevarer rotstrukturer og rhizosfærekjemi av våtmarksplanter ved slamfrysing og frysetørking. Flash-frysing kan drastisk redusere transformasjoner av oksygenfølsomme løsemidler, men kan skade røtter og kan forårsake mobilisering når prøver tørker ut. Slamfrysing der prøven er frosset mellom kobberblokker forhåndskjølt med flytende nitrogen minimerer imidlertid rotskader og prøveforvrengning28. De bevarte prøvene bygges deretter inn i en epoksyharpiks som bevarer Som spesiering20,29 og kan kuttes og poleres for avbildning av røtter i rhizosfæren. Prøvene i denne rapporten ble analysert av S-XRF kjemisk spesieringsavbildning etter tynn seksjonering. Imidlertid kan andre avbildningsteknikker også brukes, inkludert laserablasjonsinduktivt koblet plasmamassespektrometri (LA-ICP-MS), partikkelindusert røntgenutslipp (PIXE), sekundær ionmassespektrometri (SIMS) og laserindusert sammenbruddsspektroskopi (LIBS) bildebehandling.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Copper blocks</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>89275K42</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diamond blade</td>
			<td>Buehler</td>
			<td>15 LC, 102 mm x 0.3 mm</td>
			<td>operation speed: 225 rpm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epoxy forms</td>
			<td>Struers</td>
			<td>40300085</td>
			<td>FixiForm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epoxy</td>
			<td>Epotek</td>
			<td>301-2FL</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Superglue</td>
			<td>Loctite</td>
			<td>404</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thin sectioning machine</td>
			<td>Buehler</td>
			<td>PetroThin</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wet saw</td>
			<td>Buehler</td>
			<td>IsoMet 1000</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a method to preserve wetland roots and rhizospheres for elemental imaging

Røtter samhandler mye med jordmiljøet, men det er utfordrende å visualisere slike interaksjoner mellom røtter og den omkringliggende rhizosfæren. Rhizosfærens kjemi av våtmarksplanter er spesielt utfordrende å fange på grunn av bratte oksygengradienter fra røttene til bulkjorden. Her beskrives en protokoll som effektivt bevarer rotstruktur og rhizosfærekjemi av våtmarksplanter gjennom slamfrysing og frysetørking. Slam-frysing, hvor prøven er frosset mellom kobberblokker forhåndskjølt med flytende nitrogen, minimerer rotskader og prøveforvrengning som kan oppstå med flash-frysing mens du fortsatt minimerer kjemiske spesieringsendringer. Selv om prøveforvrengning fortsatt er mulig, øker muligheten til å få flere prøver raskt og med minimal kostnad potensialet for å oppnå tilfredsstillende prøver og optimalisere bildetiden. Dataene viser at denne metoden lykkes i å bevare reduserte arsenarter i risrøtter og rhizosfærer forbundet med jernplakk. Denne metoden kan vedtas for studier av plantejordforhold i et bredt spekter av våtmarksmiljøer som spenner over konsentrasjonsområder fra sporelementsykling til fytoremedieringsapplikasjoner.

Denne metoden gjør det mulig å bevare røtter og kjemiske arter i røttene og rhizosfæren av våtmarksplanter og inn i bulkjorden. I dette arbeidet ble metoden brukt til å evaluere Som spesiering og samlokalisering med Fe og Mn oksider og plante næringsstoffer i rhizosfæren av ris (Oryza sativa L.). Ris ble dyrket ved RICE Facility ved University of Delaware hvor 30 rismark mesocosmer (2 m x 2 m, 49 planter hver) brukes til å dyrke ris under ulike jord- og vannforvaltningsforhold med sikte på å senke As...

Watch this Scientific Journal Video about A Method to Preserve Wetland Roots and Rhizospheres for Elemental Imaging at JoVE.com

A Method to Preserve Wetland Roots and Rhizospheres for Elemental Imaging

Vi beskriver en protokoll for å prøve, bevare og seksjon intakte røtter og den omkringliggende rhizosfæren jord fra våtmarksmiljøer ved hjelp av ris (Oryza sativa L.) som modellart. Når prøven er bevart, kan den analyseres ved hjelp av elementære avbildningsteknikker, for eksempel synkrotron røntgenfluorescens (XRF) kjemisk spesieringsavbildning.

En metode for å bevare våtmarksrøtter og rhizosfærer for elementær avbildning

Roots extensively interact with their soil environment but visualizing such interactions between roots and the surrounding rhizosphere is challenging. The ...

Denne metoden gir forskere en ny måte å forberede akvatiske planterøtter, den omkringliggende rhizosfæren og bulkjord for elementære avbildningsteknikker. Den største fordelen med denne metoden er at den er relativt rask og rimelig, samtidig som den nøyaktig bevarer distribusjonen og spesieringen av elementer av interesse. Denne teknikken kan brukes til å svare på spørsmål om mange elementer og plantesystemer fra næringsstoffer i landbrukssystemer til skjebne og transport av forurensninger i fettermiasjonssystemer.Sørg for å jobbe raskt, samtidig som du er oppmerksom på ønsket område eller områder av rotsystemet for prøvetaking. Og ta flere prøver per rotsystem. For å forberede slamfryseutstyret til et eksperiment, plasser to, fem ganger fem til 15 centimeter kobberblokker horisontalt i en ren kjøler som er i stand til å holde flytende nitrogen.Og bruk riktig personlig verneutstyr, hell nok flytende nitrogen i kjøleren til å senke blokkene ned. Når boblen avtar, plasser en avstandsstykke på hver ende av en kobberblokk. Deretter, ved hjelp av tang og kryogene hansker, stå den andre kobberbloggen på slutten for å gjøre gjenfinning enklere når prøven er på plass.For å samle prøven, bruk enten en potteplante eller bruk en spade for å begynne å trekke ut ønsket plante og rhizosfære fra den våte jorda, og ta vare på at gravhullet er mye større enn ønsket rotvolum. Bruk et stålblad for å kutte bort overflødig jord, pass på at du ikke forstyrrer jorda innenfor ønsket område. Når de ønskede områdene når, kutt en omtrent tre ganger tre ganger to centimeter rotkube, og plasser umiddelbart kuben mellom de to avstandsstykkene på den horisontale kobberblokken.For en slamfrysing av prøven, bruk de kryogeniske hanskene til å plassere den vertikale kobberblokken på avstandsstykkene i omtrent fem minutter. Når boblen avtar, overfør den slam frosne rhizosphere kubeprøven til et stykke forhåndsmerket aluminiumsfolie firkant. For å fryse tørre jordbiter, når frysetørkeren har nådd riktig vakuumtrykk og temperatur, plasser en frossen rhizosphere kubeprøve for ren og sur vasket 50 milliliterrør eller direkte inn i frysetørkeren og bruk en ren engangsserviett for å forhindre at støv kommer inn i vakuumpumpen.Plasser prøvene i frysetørkerbeholderen i minst noen dager til de er tørre. Når vevet er frysetørket, bruk et stålblad til tørkede jordbiter til en passende størrelse for analysen før du plasserer kubene i merkede former inne i en vakuumdesiccator. Etter å ha forberedt epoksy i henhold til produsentens instruksjoner, bruk en dropper for å sakte legge epoksy til skjemaet på den ene siden av jorda, til epoksy helt dekker prøven.Jorden vil mørke i farge når epoksyen fukter jorda. Når skjemaene er fylt med epoksy, lukker du tørkeapparatet og slår på vakuumet. Kontroller nivået på en epoksy hvert 30 til 90 minutter i de første en til fire timene, og legg til ekstra epoksy om nødvendig.Når epoksyet er herdet, fjerner du prøven. Etter innebygging, bruk en diamantblad presisjon våt sag for å kutte prøven. Klipp prøven i en annen retning hvis ingen røtter oppnås i forrige kutt.Etter trimning, slip den kuttede siden av hver prøve manuelt med gradvis finere sandpapir i 30 sekunder per grusstørrelse. I denne figuren kan flere rotdiametre observeres i jordmatrisen som tverrgående seksjoner. Røttene kan vise varierende kvalitetsnivå.For eksempel, i dette bildet, kan en godt bevart rot, en rot forvrengt av frysetørkingsprosessen, og en rot som ble trukket ut under den tynne seksjoneringsprosessen observeres. Analyse av denne rottransverse delen med en lateral rot i langsgående seksjon ved synkrotron røntgenfluorescensavbildning som demonstrert tillater påvisning av jern, mangan og arsen. Tilstedeværelsen av jern i jorda og rundt roten i jernplakket er også synlig i lysmikrografbildene.Mangan er unikt til stede i cortex av lateralroten, men samlokaliserer også med jern i noen områder innenfor jernplakket som en grønnblå nyanse. Arsen er for det meste funnet i vaskulaturen av lateralroten som fusjonerer inn i vaskulaturen til primærroten. Kjemisk spesiering av avbildning avslører en variasjon i lokaliseringen av arsenarter.Som observert i denne tri-fargeplottet, er arsenitt og arsenittglutathion nært forbundet i vaskulaturen, mens arsenat primært lokaliserer innenfor utsiden av roten, forbundet med jernplakk. Før du tar prøver av en samling, må du finne den ønskede delen av rotsystemet for elementær avbildning. Dette vil diktere plasseringsretningen til rotnøkkelen som er fjernet.Etter denne protokollen kan prøver avbildes i mikronskala eller grovere ved hjelp av en rekke teknikker, avhengig av spesifikke forskningsspørsmål, elementer av interesse eller instrumentering tilgjengelig.

Research

JoVE Journal

Environment

A Rapid and Efficient Method for Assessing Pathogenicity of Ustilago maydis on Maize and Teosinte Lines

A Rapid and Efficient Method for Assessing Pathogenicity of Ustilago maydis on Maize and Teosinte Lines

En rask og effektiv metode for å vurdere patogenitet av Ustilago maydis på Maize og Teosinte Lines

Maize is a major cereal crop worldwide. However, susceptibility to biotrophic pathogens is the primary constraint to increasing productivity. U. maydis is ...

A Simple Method for Automated Solid Phase Extraction of Water Samples for Immunological Analysis of Small Pollutants

En enkel metode for Automated fastfaseekstraksjon av vannprøver for Immunologisk Analyse av Små forurensninger

A new method for solid phase extraction (SPE) of environmental water samples is proposed. The developed prototype is cost-efficient and user friendly, and ...

Reliable Method for Assessing Seed Germination, Dormancy, and Mortality under Field Conditions

Pålitelig metode for å vurdere frø spiring, Dormancy, og dødelighet under feltforhold

We describe techniques for approximating seed bank dynamics over time using Helianthus annuus as an example study species. Strips of permeable polyester ...

A Method for Evaluating Insecticide Efficacy against Bed Bug, Cimex lectularius, Eggs and First Instars

A Method for Evaluating Insecticide Efficacy against Bed Bug,  Cimex lectularius, Eggs and First Instars

En metode for å evaluere Insektmiddel Effekt mot Bed Bug,<em&gt; Cimex lectularius</em&gt;, Egg og First instars

Standard toxicity evaluations of insecticides against insect pests are primarily conducted on adult insects. Evaluations are based on a dose-response or ...

Ecotoxicological Method with Marine Bacteria Vibrio anguillarum to Evaluate the Acute Toxicity of Environmental Contaminants

Ecotoxicological Method with Marine Bacteria Vibrio anguillarum to Evaluate the Acute Toxicity of Environmental Contaminants

Økotoksikologisk metode med marine bakterier<em&gt; Vibrio anguillarum</em&gt; Å vurdere den akutte toksisiteten av miljøforurensninger

Bacteria are an important component of the ecosystem, and microbial community alterations can have a significant effect on biogeochemical cycling and food ...

Measuring and Mapping Patterns of Soil Erosion and Deposition Related to Soil Carbonate Concentrations Under Agricultural Management

Måle og kartlegge jorderosjon og deponering relatert til jord Carbonate konsentrasjoner Under landbruks forvaltningen

Spatial patterns of soil erosion and deposition can be inferred from differences in ground elevation mapped at appropriate time increments. Such changes ...

RGB and Spectral Root Imaging for Plant Phenotyping and Physiological Research: Experimental Setup and Imaging Protocols

RGB og Spectral rot bildebehandling for anlegget Phenotyping og fysiologiske forskning: eksperimentelle oppsett og Imaging protokoller

Better understanding of plant root dynamics is essential to improve resource use efficiency of agricultural systems and increase the resistance of crop ...

A Novel Method for the Pentosan Analysis Present in Jute Biomass and Its Conversion into Sugar Monomers Using Acidic Ionic Liquid

En ny metode for Pentosan analyse i Jute biomasse og konvertering sin inn sukker monomerer med surt ioniske flytende

Recently, ionic liquids (ILs) are used for biomass valorization into valuable chemicals because of their remarkable properties such as thermal stability, ...

Harvesting Venom Toxins from Assassin Bugs and Other Heteropteran Insects

Høsting gift giftstoffer fra Assassin Bugs og andre Heteropteran insekter

Heteropteran insects such as assassin bugs (Reduviidae) and giant water bugs (Belostomatidae) descended from a common predaceous and venomous ancestor, ...

Isolation and Analysis of Microbial Communities in Soil, Rhizosphere, and Roots in Perennial Grass Experiments

Isolering og analyse av mikrobielle samfunn i jord, Rhizosphere og røtter i staude gresset eksperimenter

Plant and soil microbiome studies are becoming increasingly important for understanding the roles microorganisms play in agricultural productivity. The ...