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

Författarna erkänner ett gemensamt fröbidrag till Seyfferth och Tappero för att stödja samarbete mellan University of Delaware och Brookhaven National Laboratory. Delar av denna forskning använde XFM (4-BM) Beamline av National Synchrotron Light Source II, ett amerikanskt energidepartement (DOE) Office of Science User Facility som drivs för DOE Office of Science av Brookhaven National Laboratory under kontrakt nr. DE-SC0012704.

1. Förberedelse av slam-frysutrustning
<ol><li>Placera två kopparblock (~ 5 cm x 5 cm x 15 cm) horisontellt inuti en ren kylare som kan hålla flytande kväve och häll tillräckligt med flytande kväve för att dränka blocken. När bubblandet avtar placerar du två distanser ovanpå ett kopparblock i varje ände. OBS: Distanshöjden bestämmer höjden på det prov som ska frysas. I det här exemplet används en 2 cm distans för att skapa kuber som är cirka 3 cm x 3 cm x 2 cm. Volymen av det flytande kvävet be...

Detta dokument beskriver ett protokoll för att erhålla bevarad bulkjord + rhizosfärer av våtmarksväxtrötter med hjälp av en slam-frysningsteknik som kan användas för elementär avbildning och/eller kemisk speciation mappning.
Det finns flera fördelar med denna metod jämfört med befintliga metoder. För det första möjliggör denna metod samtidig undersökning av rötter och de omgivande rhizosfärerna. Det finns för närvarande metoder för att bevara och kemiskt avbilda rötter ...

Rötter och deras rhizosfärer är dynamiska, heterogena och kritiskt viktiga för att förstå hur växter får mineralnäringsämnen och föroreningar1,2,3. Rötter är den primära vägen genom vilken näringsämnen (t.ex. fosfor) och föroreningar (t.ex. arsenik) flyttas från jord till växter och därmed förståelse för denna process har konsekvenser för livsmedelskvantitet och kvalitet, ekosystemfunktion och fytoremediation. Rötter är dock dynamiska i tid och rum växer som svar på näringsförvärvsbehov och de varierar ofta i funktion, diameter och struktur (t.ex. sidorötter, oavsiktliga rötter, rothår)2. Rotsystemens heterogenitet kan studeras på rumsliga skalor från cellulär till ekosystemnivå och på temporala skalor från timme till dekadal. Således innebär rötternas dynamiska och heterogena natur och deras omgivande jord, eller rhizosfären, utmaningar för att fånga rhizosfärkemi över tid. Trots denna utmaning är det absolut nödvändigt att studera rötter i sin markmiljö för att karakterisera detta kritiska växt-jordförhållande.
Rhizosfärkemin hos våtmarksväxter är särskilt utmanande att undersöka på grund av branta syregradienter som finns från bulkjord till rötterna, som förändras i tid och rum. Eftersom rötter behöver syre för att andas, har våtmarkplantor anpassat sig till de låga syreförhållandena i våtmarksjordar genom att skapa aerenkyma4,5. Aerenkyma är ihåliga närvävnader som sträcker sig från skott till rötter, vilket möjliggör diffusion av luft genom växten i rötterna. En del av denna luft läcker dock in i rhizosfären i mindre suberiserade delar av rötterna, särskilt nära laterala rotkorsningar, mindre mogna rotspetsar och förlängningszoner6,7,8,9. Denna radiella syreförlust skapar en oxiderad zon i rhizosfären av våtmarksväxter som påverkar rhizosfärkemi (biogeo)kemi och skiljer sig från den reduceradebulkjorden 10,11,12. För att förstå ödet och transporten av näringsämnen och föroreningar i våtmarks rhizosfärer och rötter är det viktigt att bevara den kemiskt reducerade bulkjorden, den oxiderade rhizosfären och rötterna av våtmarksväxter för analys. Men eftersom bulkjorden innehåller reducerade jordbeståndsdelar som är syrekänsliga måste rot- och markskyddsmetoder bevara rotstrukturer och minimera syrekänsliga reaktioner.
Det finns metoder för att fixa växtvävnader och bevara ultrastrukturen för avbildning, men dessa metoder kan inte tillämpas för att kemiskt bevara rötter som växer i våtmarksjord. För undersökningar där endast den elementära fördelningen inom växtceller önskas odlas växter vanligtvis hydroponiskt och rötter kan enkelt avlägsnas från lösningen, fixeras under högtrycksfrysning och fryser substitution och sektioneras för en mängd olika bildapplikationer inklusive högupplöst sekundär jonmasspektrometri (nanoSIMS), elektronmikroskopi och synkrotronröntgenfluorescensanalys (S-XRF)analys 13, 14,15. För att undersöka Fe plack på utsidan av våtmark rötter, dessa hydroponiska studier måste artificiellt inducera Fe plack bildas ilösning 16, som inte exakt representerar heterogeniteten i fördelningen och mineralsammansättningen av Fe plack bildas och tillhörande element på plats17,18,19,20. Det finns metoder för att bevara våtmarksjord och tillhörande mikroorganismer med fryskors21, men det är svårt att få rötter med denna teknik. Nuvarande metoder för att visualisera rötter som växer i jord och deras rhizosfäriska kemi består av två primära mättyper: elementära flödet och den totala elementära koncentrationen (och speciation). Den förstnämnda mäts vanligtvis med diffusiva gradienter i tunna filmer (DGT)22,23,24, där jord placeras i rhizoboxar för att stödja växttillväxt i laboratoriemiljö och labila element i jorden sprider sig genom en gel till ett bindande skikt. Det här bindningslagret kan sedan avbildas för att kvantifiera de labila elementen av intresse. Denna teknik kan framgångsrikt illustrera relationer mellan rötter och rhizosfären24,25,26,27, men artefakter från rot-begränsning kan existera genom att odla växter i rhizoboxar, och information om rotinredningen fångas inte med DGT. Det senare innebär provtagning av rötterna och rhizosfären, bevarande av provet och direkt analys av elementär fördelning på ett provavsnitt. För denna miljöprovtagning av våtmarksväxtrötter och deras omgivande rhizosfär krävs noggrann provhantering för att undvika artefakter från provberedning.
Här beskrivs ett protokoll som effektivt bevarar rotstrukturer och rhizosfärkemi hos våtmarksväxter genom slamfrysning och frystorkning. Blixtfrysning kan drastiskt bromsa omvandlingar av syrekänsliga soluter men kan skada rötter och kan orsaka mobilisering när proverna torkar ut. Slamfrysning där provet fryses mellan kopparblock som förkylts med flytande kväve minimerar dock rotskador och provförvrängning28. De konserverade proverna bäddas sedan in i ett epoxiharts som bevarar Som speciation20,29 och kan skäras och poleras för avbildning av rötter i deras rhizosfärjord. Proverna i denna rapport analyserades av S-XRF kemiska speciation imaging efter tunn sektionering. Andra bildframställningstekniker kan dock också användas, inklusive laserablation-induktivt kopplade plasmamasspektrometri (LA-ICP-MS), partikelinducerad röntgenemission (PIXE), sekundär jonmasspektrometri (SIMS) och laserinducerad nedbrytningsspektroskopi (LIBS) avbildning.

<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

Rötter interagerar i stor utsträckning med sin markmiljö, men att visualisera sådana interaktioner mellan rötter och den omgivande rhizosfären är utmanande. Rhizosfärkemin hos våtmarksväxter är särskilt utmanande att fånga på grund av branta syregradienter från rötterna till bulkjorden. Här beskrivs ett protokoll som effektivt bevarar rotstruktur och rhizosfärkemi hos våtmarksväxter genom slamfrysning och frystorkning. Slamfrysning, där provet fryses mellan kopparblock som förkyls med flytande kväve, minimerar rotskador och provförvrängning som kan uppstå med blixtfrysning samtidigt som kemiska speciationförändringar minimeras. Även om provförvrängning fortfarande är möjlig ökar förmågan att få flera prover snabbt och med minimal kostnad potentialen att få tillfredsställande prover och optimerar bildtiden. Uppgifterna visar att denna metod är framgångsrik när det gäller att bevara reducerade arsenikarter i risrötter och rhizosfärer i samband med järnplack. Denna metod kan användas för studier av växt-jordförhållanden i en mängd olika våtmarksmiljöer som spänner över koncentrationen sträcker sig från spårelementscykling till fytoremediationsapplikationer.

Denna metod möjliggör bevarande av rötter och kemiska arter i rötterna och rhizosfären hos våtmarksväxter och i bulkjorden. I detta arbete användes metoden för att utvärdera som speciation och samlokalisering med Fe och Mn oxider och växtnäringsämnen i rizosfären av ris(Oryza sativa L.). Ris odlades vid RICE-anläggningen vid University of Delaware där 30 risfält mesokosmer (2 m x 2 m, 49 växter vardera) används för att odla ris under olika mark- och vattenhanteringsförhållanden med målet a...

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 ett protokoll för att prova, bevara och dela upp intakta rötter och den omgivande rhizosfärjorden från våtmarksmiljöer medris (Oryza sativa L.) som modellart. När provet har bevarats kan det analyseras med hjälp av elementära bildframställningstekniker, såsom synkrotronröntgenfluorescens (XRF) kemisk speciation imaging.

En metod för att bevara våtmarkrötter och rhizosfärer för elementär avbildning

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

Denna metod ger forskare ett nytt sätt att förbereda vattenlevande växtrötter, den omgivande rhizosfären och bulkjord för elementära bildtekniker. Den största fördelen med denna metod är att den är relativt snabb och prisvärd samtidigt som den noggrant bevarar distributionen och speciationen av element av intresse. Denna teknik kan användas för att svara på frågor om många element och växtsystem från näringsämnen i jordbrukssystem till öde och transport av föroreningar i fettermiationssystem.Var noga med att arbeta snabbt samtidigt som du är medveten om önskat område eller områden i rotsystemet för provtagning. Och ta flera prover per rotsystem. För att förbereda slamfrysningsutrustningen för ett experiment, placera två, fem gånger fem gånger 15 centimeter kopparblock horisontellt i en ren kylare som kan hålla flytande kväve.Och bär lämplig PPE, häll tillräckligt med flytande kväve i kylaren för att dränka blocken. När bubblandet avtar, placera en distans på varje ände av ett kopparblock. Sedan, med hjälp av tång och kryogena handskar, står den andra kopparbloggen i slutet för att göra hämtningen enklare när provet är på plats.För att samla in provet, använd antingen en krukväxt eller använd en spade för att börja extrahera önskad växt och rhizosfär från den våta jorden, ta hand om att det grävda hålet är mycket större än önskad rotvolym. Använd ett stålblad för att skära bort överflödig jord, var försiktig så att du inte stör jorden inom önskat område. När de önskade områdena når, skär en ungefär tre gånger tre gånger två centimeter rotkub och placera omedelbart kuben mellan de två distanserna på det horisontella kopparblocket.För en slamfrysning av provet, använd de kryogena handskarna för att placera det vertikala kopparblocket på distanserna i cirka fem minuter. När bubblanden avtar överför dubbfryst rhizosfärkubprov till en bit förmärkt aluminiumfolieruta. För att frysa torka jordkuberna, när frystorken har nått rätt vakuumtryck och temperatur, placera ett fruset rhizosfärkubprov för rent och surtvättat 50 milliliter rör eller direkt i frystorken och använd en ren engångsservett för att förhindra att damm kommer in i vakuumpumpen.Placera proverna i frystorkkärlet i minst några dagar tills de är torra. När vävnaderna har frystorkats, använd ett stålblad till torkade jordkuber till en lämplig storlek för analysen innan du placerar kuberna i märkta former inuti en vakuumdesiccator. Efter att ha förberett epoxi enligt tillverkarens instruktioner, använd en dropper för att långsamt lägga epoxi till formen på ena sidan av jorden, tills epoxi helt täcker provet.Jorden kommer att mörkna i färg när epoxiet våtar jorden. När formulären är fyllda med epoxi, stäng utsugaren och slå på vakuumet. Kontrollera nivån på en epoxi var 30:e till 90:e minut under de första till fyra timmarna och tillsätt ytterligare epoxi om det behövs.När epoxiet har härdat, ta bort provet. Efter inbäddning, använd en diamantblad precision våt såg för att skära provet. Skär provet i en annan riktning om inga rötter erhålls i föregående snitt.Efter trimning slipar du manuellt den skurna sidan av varje prov med progressivt finare sandpapper i 30 sekunder per grusstorlek. I denna siffra kan flera rotdiametrar observeras i jordmatrisen som tvärgående sektioner. Rötterna kan visa varierande kvalitetsnivåer.I den här bilden kan till exempel en välbevarad rot, en rot förvrängd av frystorkningsprocessen och en rot som drogs ut under den tunna sektioneringsprocessen observeras. Analys av denna rot tvärgående avsnitt med en laterala rot i längsgående avsnitt av synkrotron röntgen fluorescens imaging som visats gör det möjligt att upptäcka järn, mangan och arsenik. Närvaron av järn i jorden och omgivande roten i järnplacken är också synlig i de ljusa mikrografbilderna.Mangan är unikt närvarande i cortex av den laterala roten, men samlokaliseringar med järn i vissa områden i järnplack som en grönblå nyans. Arsenik finns mestadels inom vaskulaturen av den laterala roten som sammanfogas i vaskulaturen av den primära roten. Kemisk speciation imaging avslöjar en variation i lokaliseringen av arsenik arten.Som observerats i denna trefärgade tomt är arsenit och arsenit glutation nära associerade i vaskulaturen, medan arsenat främst lokaliserar inom utsidan av roten, associerad med järnplack. Innan provsamlingen bestämmer du önskad del av rotsystemet för elementär avbildning. Detta dikterar platsorienteringen för rotnyckeln som tagits bort.Enligt detta protokoll kan prover avbildas i mikronskala eller grovare med hjälp av en mängd olika tekniker, beroende på de specifika forskningsfrågor, element av intresse eller instrumentering som finns tillgängliga.

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 snabb och effektiv metod för att bedöma patogenicitet hos Ustilago maydis på majs- och teosintelinjer

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 metod för Automated Fastfasextraktion av vattenprover för immunologisk analys av små föroreningar

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

Tillförlitlig metod för att bedöma frögroning, Vilande och Mortalitet under fältbetingelser

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 metod för att utvärdera Insekts Effekt mot Bed Bug,<em&gt; Cimex lectularius</em&gt;, Ägg och 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

Ekotoxikologisk metod med marina bakterier<em&gt; Vibrio anguillarum</em&gt; Att utvärdera miljöföroreningarnas akuta toxicitet

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

Mätning och kartläggning mönster jorderosion och nedfall kopplad till jord karbonat koncentrationer Under jordbrukets förvaltning

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 och spektrala Root Imaging för växt fenotypning och fysiologisk forskning: experiment och Imaging protokoll

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 metod för Pentosan analys i Jute biomassa och dess omvandling till socker monomerer med sura jonisk vätska

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

Skörda Venom gifter från Assassin buggar och andra 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 och analys av mikrobiella samhällen i jord, odlingsbädden och rötter i perenna gräs experiment

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