Neue Beprobungstechniken zur Untersuchung der Rolle von Carboxylat-Exsudaten in der Phosphoraufnahmeeffizienz von Hartweizen (DGT Exudates)

Description: Die Carboxylat-Exsudation ist ein wichtiger Prozess für Pflanzen, um eine ausreichende Nährstoffaufnahme, insbesondere in Böden mit Phosphor-Mangel, sicherzustellen. Die Gewinnung von Carboxylatproben von im Boden gewachsenen Wurzeln ist aufgrund der geringen Konzentrationen von Carboxylaten in der Bodenlösung und ihrer schnellen Mineralisierung durch Mikroben sehr anspruchsvoll. Deshalb wurden die meisten Studien bisher mit künstlichen Wachstumssystemen (z. B. Hydroponik) durchgeführt, von denen viele die Zusammensetzung und Menge der Wurzelexsudate beeinflussen können. Wegen dieser erheblichen technischen Lücke besteht immer noch eine große Wissenslücke hinsichtlich der räumlichen Verteilung von Carboxylat-Exsudaten in der Rhizosphäre, sowie hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs der Exsudation über die Vegetationsperiode von Kulturpflanzen. Wir haben kürzlich eine niedrig-invasive Citrat-Exsudat-Probenahmemethode entwickelt, die auf der “Diffusive Gradients in Thin Films” Methode (DGT) basiert. Diese Methode stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber bestehenden Techniken dar. In diesem Projekt werden wir (1) unsere DGT-Citrat-Probenahmemethode weiterentwickeln, um weitere wichtige Carboxylat-Exsudat-Verbindungen einzubeziehen, (2) die DGT-Chemical-Imaging-Funktion nutzen, um Carboxylat-Exsudations-Bildgebungs-Workflows mit mm- und sub-mm-Auflösung zu entwickeln, (3) die entwickelten DGT-Carboxylat-Probenahmemethoden hinsichtlich ihrer Möglichkeiten und Einschränkungen charakterisieren und (4) die DGT-Carboxylat-Probenahme anwenden, um die Rolle der Carboxylat-Exsudation bei der Phosphoraufnahmeeffizienz von Hartweizen-Genotypen über ihre Vegetationsperiode und mit hoher räumlicher Auflösung zu untersuchen. Ausgewählte Anionenaustauscherharze werden auf ihre Carboxylatbindungseigenschaften charakterisiert. Räumliche Carboxylatverteilungen werden durch Schneiden der DGT-Gele und durch hochauflösende Massenspektrometrie (LDI-FTICR-MS) visualisiert. Die Probenahmeeffizienz der neuen Methode wird unter Verwendung von Mikrodialyse (künstliche Wurzelsonden) in Kombination mit C-14-markierten Carboxylatverbindungen quantifiziert. Die numerische Simulation der Probenahme und der experimentelle Vergleich mit herkömmlichen Methoden werden die Möglichkeiten und Grenzen der DGT-Carboxylat-Probenahme demonstrieren. Die neu entwickelte Probenahmetechnik wird die Probenahme von ganzen Wurzelsystemen und Wurzelsystemteilen, die Kartierung mit einer Auflösung im mm-Maßstab, die Abbildung von Exsudatgradienten im Mikrometer-Maßstab, und die wiederholte Probenahme über die gesamte Vegetationsperiode ermöglichen. Mit dieser neuartigen Methodik werden beispiellose Daten zu Carboxylat-Exsudationsmustern in Wurzelsystemen von Hartweizen gesammelt werden. Diese Methode wird eine wichtige technische Lücke schließen und zur Entwicklung/Auswahl von Kultursorten mit hoher Phosphoraufnahmeeffizienz beitragen.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Kartierung ? Kulturpflanze ? Laser ? Massenspektrometrie ? Pflanzenproduktion ? Rhizosphäre ? Bodenlösung ? Desorption ? Hydroponik ? Pflanzenernährung ? Studie ? Vegetationsperiode ? Mikroorganismen ? Pflanze ? Zeitreihe ? Probenahme ? Agrartechnik ? Plant Cultivation ?

Region: Hessen

Bounding boxes: 9° .. 9° x 50.55° .. 50.55°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Autonome Provinz Bozen - Südtirol (Mitwirkung)
• Free University of Bolzano, Faculty of Science and Technology (Mitwirkung)
• Justus-Liebig-Universität Gießen (Projektverantwortung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)

Time ranges: 2023-01-01 - 2026-02-15

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Novel sampling for studying the role of carboxylate exudates for the phosphorus acquisition efficiency of durum wheat (DGT exudates)
  Description: Carboxylate exudation is a major process for plants to ensure adequate nutrient acquisition, particularly in phosphorus (P) deficient soils. Obtaining carboxylate samples from soil-grown roots is experimentally very challenging due to the low concentrations of carboxylates in the soil pore water and their fast mineralization by microbes. Consequently, most research so far has been conducted using artificial growth systems (e.g. hydroponics), many of which potentially affecting the composition and quantity of root exudates. Due to this significant technique gap, there is still a major knowledge gap concerning the spatial distribution of carboxylate exudates in the rhizosphere, as well as on the time-course of exudation across the vegetation period of crops. We have recently developed a low-invasive citrate exudate sampling method based on diffusive gradient in thin films (DGT), which is a significant improvement over existing techniques and enables repeated citrate sampling from soil-grown roots at very high spatial and temporal resolution. In this project, we will (1) further develop our DGT citrate sampling method to include major carboxylate exudate compounds, (2) utilize the DGT chemical imaging functionality to develop mm as well as sub-mm resolution carboxylate exudation imaging workflows, (3) characterize the developed DGT carboxylate sampling methods for their capabilities and limitations, and (4) apply DGT carboxylate sampling to study the role of carboxylate exudation in the phosphorus acquisition efficiency of durum wheat genotypes across their vegetation period and at high spatial resolution. Selected anion exchange resins will be characterized for their carboxylate binding properties. Spatial carboxylate distributions will be resolved by DGT gel cutting and by laser desorption ionization Fourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (LDI-FTICR-MS). Recovery of carboxylate by DGT will be quantified using microdialysis (artificial root probes) in combination with C-14 labelled carboxylate compounds. Numerical simulation of the sampling process and experimental comparison with alternative exudate sampling methods will demonstrate the capabilities and limitations of DGT carboxylate sampling. We will develop a low-invasive methodology to sample major carboxylate exudates from soil-grown roots, enabling sampling from entire root systems and root system parts, mapping at mm-scale resolution, imaging exudate gradients at sub-mm resolution and sampling repeatedly over the entire vegetation period. Using this novel methodology, unprecedented data on carboxylate exudation patterns in durum wheat root systems will be collected. This novel DGT carboxylate sampling methodology will overcome a major technique gap, and will contribute to developing/selecting crop cultivars with high phosphorus acquisition efficiency. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1140303

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/525026426 (Webseite)

Status

Aktiv

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