Linking micro-X-ray fluorescence spectroscopy and X-ray computed tomography with model simulation explains differences in nutrient gradients around roots of different types and ages

IF 8.3 1区生物学 Q1 PLANT SCIENCES

New Phytologist Pub Date : 2025-04-01 DOI:10.1111/nph.70102

Eva Lippold, Magdalena Landl, Eric Braatz, Steffen Schlüter, Rüdiger Kilian, Robert Mikutta, Andrea Schnepf, Doris Vetterlein

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将微x射线荧光光谱和x射线计算机断层扫描与模型模拟相结合，解释了不同类型和年龄根周围营养梯度的差异

根际被定义为受根影响的土壤区域，其生化特性与周围土壤有着根本的不同（Vetterlein et al., 2020）。养分的吸收和水分向根系的输送，以及渗出物向土壤的释放，在根区形成了独特的化学梯度(Kirk, 1999；York等人，2016a；Holz et al., 2018b)。这些梯度的宽度、形状和表现形式各不相同，表现为枯竭带或堆积带。在探索和开发方面，确定最佳根构型需要了解程度，即邻近根相互影响的根际范围(de Parseval等人，2017；Landl et al., 2021)。梯度的程度和大小取决于多种因素，如土壤溶液浓度、养分吸收能力、土壤水力特性、扩散、吸收和衰变(Nye, 1966；理发师,1984;Jungk, 2001)。目前，对形成根系周围梯度的各个因素的相对贡献和绝对贡献还知之甚少。据推测，决定物理和化学梯度程度的一个关键参数是根龄(Vetterlein &；dousan, 2016)，它定义了在特定位置与土壤相互作用的可用时间（Göttlein等人，1999）。影响梯度形成的一些参数也随根龄而变化，如吸收率（York et al., 2016b）、根径和根毛活性（Lan et al., 2013）。虽然这种活性变化在根和特定根组织中得到了很好的证明（Lan等人，2013），但对于土壤生长的植物，这类数据要少得多(Kraus等人，1987；Ernst et al., 1989)。根直径和根毛在几何和径向梯度范围方面具有特别的意义。由于与细根相比，较大的根直径提供了更大的表面积来吸收养分，因此根直径也应该对梯度的陡峭度有影响。根毛在养分吸收中的一个基本作用也归因于根毛，它通常被理解为缩短土壤和植物表面之间距离的器官。通过这种方式，它们改善了养分供应，特别是对磷(P)等强吸收营养素（Hendriks et al., 1981）。土壤中溶解养分的有效扩散系数也起着重要的作用，它受含水量和流道弯曲度的影响，因为它是土壤将某种物质通过其孔隙空间的能力的度量（Kuchenbuch et al., 1986）。目前关于梯度的知识大多是基于线性化系统的数据。建模表明，线性系统的梯度与径向系统的梯度不匹配。在平面实验设置中不考虑径向几何会导致梯度的程度和幅度的放大(Roose等人，2016；Vetterlein等人，2020)。径向系统的测量通常集中在尖端的显微技术上，但很少有生物复制或根生长在窄管中所施加的限制(Clode等人，2009；Veelen et al., 2019)。最近，我们提出了一种能够克服这些技术限制的工作流程，并允许在根在土壤中生长的系统中采样，尽可能少地收缩，并且仍然允许测量典型的径向几何形状（Lippold et al., 2023）。该工作流程用于观察土壤种植植物根际的元素梯度，以了解植物如何与土壤相互作用，特别是如何影响养分有效性。观测到的颗粒尺度梯度也聚集在单个根周围的连续尺度一维径向对称梯度。本研究的目的是：(1)利用微x射线荧光光谱（μ-XRF）观察决定土生植物养分有效性的根际元素梯度；(2)测试1d -根际模型是否能够再现实验观察到的梯度，并解释反映一系列不同土壤质地的两种基质中径向根几何形状、根毛和年龄对梯度的影响。据报道，钙（Ca）、硫(S)和磷可能在根际积累或消耗(Kraus et al., 1987；Lorenz et al., 1994；Hinsinger, 1998)，这项研究的重点是这些营养素。

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New Phytologist 生物-植物科学

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期刊介绍： New Phytologist is an international electronic journal published 24 times a year. It is owned by the New Phytologist Foundation, a non-profit-making charitable organization dedicated to promoting plant science. The journal publishes excellent, novel, rigorous, and timely research and scholarship in plant science and its applications. The articles cover topics in five sections: Physiology & Development, Environment, Interaction, Evolution, and Transformative Plant Biotechnology. These sections encompass intracellular processes, global environmental change, and encourage cross-disciplinary approaches. The journal recognizes the use of techniques from molecular and cell biology, functional genomics, modeling, and system-based approaches in plant science. Abstracting and Indexing Information for New Phytologist includes Academic Search, AgBiotech News & Information, Agroforestry Abstracts, Biochemistry & Biophysics Citation Index, Botanical Pesticides, CAB Abstracts®, Environment Index, Global Health, and Plant Breeding Abstracts, and others.