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

Авторы признают совместный грант на семена Сейфферта и Тапперо для поддержки сотрудничества между Университетом штата Делавэр и Брукхейвенской национальной лабораторией. В рамках этого исследования использовалась лучевая линия XFM (4-BM) Национального синхротронного источника света II, пользовательского объекта Управления науки Министерства энергетики США (DOE), управляемого для Управления науки Министерства энергетики США Брукхейвенской национальной лабораторией по контракту No. DE-SC0012704.

1. Подготовка оборудования для заморозки
<ol><li>Поместите два медных блока (~ 5 см х 5 см х 15 см) горизонтально внутри чистого охладителя, способного удерживать жидкий азот, и налейте достаточно жидкого азота, чтобы погрузить блоки. Как только пузырьки утихают, поместите две прокладки повер?...

В этой статье описывается протокол получения сохраненной объемной почвы + ризосферы корней водно-болотных растений с использованием метода замораживания шлема, который может быть использован для элементной визуализации и/или картирования химического видообразования.
<p class="jove_content"...

Корни и их ризосферы динамичны, неоднородны и критически важны для понимания того, как растения получают минеральные питательные вещества и загрязняющие вещества1,2,3. Корни являются основным путем, по которому питательные вещества (например, фосфор) и загрязняющие вещества (например, мышьяк) перемещаются из почвы в растения, и, таким образом, понимание этого процесса имеет последствия для количества и качества пищи, функционирования экосистем и фиторемедиации. Тем не менее, корни динамичны в пространстве и времени, растущие в ответ на потребности в приобретении питательных веществ, и они часто различаются по функции, диаметру и структуре (например, боковые корни, адвентивные корни, корневые волоски)2. Гетерогенность корневых систем может быть изучена в пространственных масштабах от клеточного до экосистемного уровня и во временных масштабах от ежечасного до десятилетнего. Таким образом, динамическая и гетерогенная природа корней и окружающей их почвы, или ризосферы, создает проблемы для захвата химии ризосферы с течением времени. Несмотря на эту проблему, крайне важно изучить корни в их почвенной среде, чтобы охарактеризовать эту критическую связь между растениями и почвой.
Химию ризосферы водно-болотных растений особенно сложно исследовать из-за крутых градиентов кислорода, которые существуют от объемной почвы до корней, которые изменяются в пространстве и времени. Поскольку корни нуждаются в кислороде для вдыхания, водно-болотные растения адаптировались к условиям низкого содержания кислорода в водно-болотных почвах, создав аэренхиму4,5. Аэренхимы представляют собой полые корковые ткани, которые простираются от побегов до корней, позволяя диффузии воздуха через растение в корни. Однако часть этого воздуха просачивается в ризосферу в менее суберизированных частях корней, особенно вблизи боковых корневых соединений, менее зрелых кончиков корней и зон удлинения6,7,8,9. Эта радиальная потеря кислорода создает окисленную зону в ризосфере водно-болотных растений, которая влияет на химию ризосферы (био-гео) и отличается от восстановленной объемной почвы10,11,12. Чтобы понять судьбу и перенос питательных веществ и загрязняющих веществ в водно-болотных ризосферах и корнях, крайне важно сохранить химически восстановленную объемную почву, окисленную ризосферу и корни водно-болотных растений для анализа. Однако, поскольку объемная почва содержит восстановленные компоненты почвы, чувствительные к кислороду, методы сохранения корней и почвы должны сохранять корневые структуры и сводить к минимуму чувствительные к кислороду реакции.
Существуют методы фиксации растительных тканей и сохранения ультраструктуры для визуализации, но эти методы не могут быть применены для химического сохранения корней, растущих в водно-болотной почве. Для исследований, где желательно только элементарное распределение внутри растительных клеток, растения обычно выращиваются гидропонно, а корни могут быть легко извлечены из раствора, зафиксированы под высоким давлением замораживания и замораживания и разделены для различных приложений визуализации, включая масс-спектрометрию вторичных ионов высокого разрешения (nanoSIMS), электронную микроскопию и синхротронную рентгеновскую флуоресценцию (S-XRF) анализ13, 14,15. Чтобы исследовать Fe-бляшки на внешней стороне водно-болотных корней, эти гидропонные исследования должны искусственно индуцировать образование Fe-бляшек в растворе16,который не точно представляет неоднородность распределения и минерального состава образования Fe-бляшек и связанных с ними элементов in situ17,18,19,20. Существуют методы сохранения водно-болотных угодий и связанных с ними микроорганизмов с замораживанием21,но трудно получить корни с помощью этой техники. Современные методы визуализации корней, растущих в почве, и их химии ризосферы состоят из двух основных типов измерения: элементарных потоков и общей концентрации элементов (и видообразования). Первый обычно измеряют с использованием диффузных градиентов в тонких пленках (DGT)22,23,24,в которых почва помещается в ризобоксы для поддержки роста растений в лабораторных условиях, а лабильные элементы в почве диффундирует через гель в связующий слой. Затем этот связующий слой может быть визуанирован для количественной оценки лабильных элементов, представляющих интерес. Этот метод может успешно проиллюстрировать отношения между корнями и ризосферой24,25,26,27,но артефакты из корневой границы могут существовать при выращивании растений в ризобоксах, а информация о внутренней части корня не захватывается с помощью DGT. Последнее включает в себя отбор проб корней и ризосферы, сохранение образца и непосредственный анализ элементного распределения на участке образца. Для этого экологического отбора проб корней водно-болотных растений и окружающей их ризосферы требуется тщательная обработка образцов, чтобы избежать артефактов от подготовки образцов.
Здесь описан протокол, который эффективно сохраняет корневые структуры и химию ризосферы водно-болотных растений путем замораживания и сублимационной сушки. Мгновенное замораживание может резко замедлить превращение чувствительных к кислороду растворений, но может повредить корни и может вызвать мобилизацию, когда образцы высыхают. Однако захлопывание, когда образец заморожен между медными блоками, предварительно охлажденными жидким азотом, сводит к минимуму повреждение корней и искажение образца28. Сохраненные образцы затем встраиваются в эпоксидную смолу, которая сохраняет as speciation20,29 и может быть разрезана и отполирована для визуализации корней в их ризосферной почве. Образцы в этом отчете были проанализированы с помощью химического видообразования S-XRF после тонкого сечения. Тем не менее, также могут быть использованы другие методы визуализации, включая масс-спектрометрию плазмы с лазерной абляцией индуктивно связанной (LA-ICP-MS), рентгеновское излучение, индуцированное частицами (PIXE), масс-спектрометрию вторичных ионов (SIMS) и лазерную спектроскопию пробоя (LIBS).

<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

Корни широко взаимодействуют со своей почвенной средой, но визуализация таких взаимодействий между корнями и окружающей ризосферой является сложной задачей. Химию ризосферы водно-болотных растений особенно сложно уловить из-за крутых градиентов кислорода от корней до объемной почвы. Здесь описан протокол, который эффективно сохраняет корневую структуру и химию ризосферы водно-болотных растений путем замораживания и сублимационной сушки. Слэм-замораживание, когда образец замораживается между медными блоками, предварительно охлажденными жидким азотом, сводит к минимуму повреждение корней и искажение образца, которые могут произойти при мгновенном замораживании, в то же время сводя к минимуму изменения химического видообразования. Хотя искажение образца все еще возможно, возможность получения нескольких образцов быстро и с минимальными затратами увеличивает потенциал для получения удовлетворительных образцов и оптимизирует время визуализации. Данные показывают, что этот метод является успешным в сохранении восстановленных видов мышьяка в корнях риса и ризосферах, связанных с железными бляшками. Этот метод может быть использован для исследований отношений между растениями и почвой в широком спектре водно-болотных сред, которые охватывают диапазон концентраций от круговорота микроэлементов до фиторемедиации.

Этот метод позволяет сохранять корни и химические виды в корнях и ризосфере водно-болотных растений и в объемной почве. В данной работе метод был использован для оценки видообразования и совместной локализации с оксидами Fe и Mn и питательными веществами растений в ризосферериса (Oryza sa...

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

Мы описываем протокол отбора проб, сохранения и секционного истечения неповрежденных корней и окружающей ризосферной почвы из водно-болотных угодий с использованиемриса (Oryza sativa L.) в качестве модельного вида. После сохранения образец может быть проанализирован с использованием методов элементной визуализации, таких как синхротронная рентгеновская флуоресцентная (XRF) химическая визуализация видообразования.

Метод сохранения корней водно-болотных угодий и ризосфер для элементной визуализации

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

Этот метод предоставляет исследователям новый способ подготовки корней водных растений, окружающей ризосферы и объемной почвы для методов элементной визуализации. Основным преимуществом этого метода является то, что он относительно быстрый и доступный, а также точно сохраняет распределение и видообразование интересующих элементов. Этот метод может быть использован для ответа на вопросы, касающиеся многих элементов и систем растений от питательных веществ в сельскохозяйственных системах до судьбы и переноса загрязняющих веществ в системах сковывания.Обязательно работайте быстро, а также помните о желаемой области или областях корневой системы для отбора проб. И возьмите несколько образцов на корневую систему. Чтобы подготовить оборудование для замораживания шлема к эксперименту, поместите два, пять на пять на 15 сантиметров медных блоков горизонтально в чистый охладитель, способный удерживать жидкий азот.И, надев соответствующие СИЗ, налейте достаточно жидкого азота в охладитель, чтобы погрузить блоки. Как только пузырьки утихают, поместите по одной прокладке на каждый конец одного медного блока. Затем, используя щипцы и криогенные перчатки, поставьте другой медный блог на его конце, чтобы облегчить извлечение, когда образец находится на месте.Чтобы собрать образец, либо используйте горшечное растение, либо используйте лопату, чтобы начать извлечение нужного растения и ризосферы из влажной почвы, заботясь о том, чтобы вырытая яма была намного больше желаемого объема корня. Используйте стальное лезвие, чтобы срезать любую лишнюю почву, заботясь о том, чтобы не потревожить почву в пределах желаемой области. Когда нужные участки достигнут, вырежьте примерно три на три на два сантиметра корневой куб, и сразу же поместьте куб между двумя распорками на горизонтальный медный блок.Для заморозки образца использовали криогенные перчатки, чтобы поместить вертикальный медный блок на распорки примерно на пять минут. Когда пузырьки стихнут, перенесите образец замороженного куба ризосферы в кусок предварительно маркированного квадрата алюминиевой фольги. Чтобы сублимировать кубики почвы, когда сублимационная сушилка достигнет надлежащего вакуумного давления и температуры, поместите один замороженный образец куба ризосферы для чистой и кислотной промытой 50-миллилитровой трубки или непосредственно в сублимационную сушилку и используйте чистую одноразовую салфетку, чтобы предотвратить попадание пыли в вакуумный насос.Поместите образцы в сосуд сублимационной сушилки по крайней мере на несколько дней до высыхания. Когда ткани были сублимированы, используйте стальное лезвие для высушивания кубиков почвы до соответствующего размера для анализа, прежде чем помещать кубики в меченые формы внутри вакуумного адсорбатора. После приготовления эпоксидной смолы в соответствии с инструкциями производителя используйте капельницу, чтобы медленно добавлять эпоксидную смолу в форму на одной стороне почвы, пока эпоксидная смола полностью не покроет образец.Почва будет темнеть по цвету, так как эпоксидная смола смачивает почву. Как только формы будут заполнены эпоксидной смолой, закройте адсорбатор и включите вакуум. Проверяйте уровень эпоксидной смолы каждые 30-90 минут в течение первых одного-четырех часов, добавляя дополнительную эпоксидную смолу при необходимости.Как только эпоксидная смола затвердеет, извлеките образец. После встраивания используйте прецизионную влажную пилу с алмазным лезвием для резки образца. Обрежьте образец в другом направлении, если в предыдущем срезе не получены корни.После обрезки вручную отшлифуя разрезанную сторону каждого образца постепенно более мелкой наждачной пастой в течение 30 секунд на размер песка. На этом рисунке несколько диаметров корней можно наблюдать в почвенной матрице в виде поперечных срезов. Корни могут демонстрировать различные уровни качества.Например, на этом изображении можно наблюдать хорошо сохранившийся корень, корень, искаженный процессом сублимационной сушки, и корень, который был вытащен в процессе тонкого сечения. Анализ этого поперечного сечения корня с боковым корнем в продольном сечении с помощью синхротронной рентгеновской флуоресцентной визуализации, как показано, позволяет обнаружить железо, марганец и мышьяк. Присутствие железа в почве и вокруг корня в железной бляшке также видно на изображениях световой микрофотографии.Марганец уникально присутствует в коре бокового корня, но также совместно локализуется с железом в некоторых областях железа в виде зелено-синего оттенка. Мышьяк в основном находится в сосудистой основе латерального корня, сливающегося в сосудистую часть первичного корня. Химическая визуализация видообразования показывает изменчивость локализации видов мышьяка.Как наблюдалось на этом трехцветном графике, арсенит и арсенит глутатион тесно связаны в сосудистой области, в то время как арсенат в основном локализуется внутри внешней стороны корня, связанного с железной бляшкой. Перед сбором образцов определите желаемую часть корневой системы для элементной визуализации. Это будет диктовать ориентацию расположения удаленного корневого ключа.Следуя этому протоколу, образцы могут быть визуанированы в микроновом масштабе или более грубыми с использованием различных методов, в зависимости от конкретных вопросов исследования, элементов интереса или доступных приборов.

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

Быстрый и эффективный метод оценки патогенности Ustilago maydis на линиях кукурузы и teosinte

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

Простой метод Автоматизированная твердофазной экстракции водных образцов для анализа иммунологических малых загрязнителях

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

Надежный метод оценки всхожести семян, пок, и смертности в полевых условиях

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

Способ оценки эффективности против инсектицид кровать ошибка,<em&gt; Cimex lectularius</em&gt;, Яйца и первый возрастах

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

Экотоксикологический метод с морскими бактериями<em&gt; Vibrio anguillarum</em&gt; Оценка острой токсичности загрязняющих веществ в окружающей среде

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

Измерение и сопоставление моделей осаждения, относящиеся к концентрации карбоната почвы под управление сельским хозяйством и эрозии почвы

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 и спектральные корень изображений для растений фенотипа и физиологических исследований: экспериментальная установка и визуализации протоколы

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

Новый метод для анализа Пентозанполисульфат в джута биомассы и превращения его в сахар мономеров, с использованием кислой ионные жидкости

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

Заготовка Venom токсины от убийца ошибок и других насекомых, Heteropteran

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

Изоляция и анализ микробных сообществ в почве, ризосфере и корни в экспериментах многолетние травы

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