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DGT exudates

Projektname: 

DGT exudates - Neue Probenahmetechniken zur Untersuchung der Rolle von Carboxylat-Exsudaten für die Phosphoraufnahmeeffizienz von Hartweizen

Laufzeit:

2024-2027

Finanziert durch:

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Projektpartner:

 

 

 

 

 

 

 

Prof. Dr. Tanja Mimmo, Dr. Raphael Tiziani
Freie Universität Bozen, Italien

Prof. Dr. Andrea Schnepf
Forschungzentrum Jülich und Universität Bonn, Deutschland.

PD Dr. Eva Oburger
Institut für Bodenkunde, BOKU, Wien, Österreich.

Dr. Oliver Lechtenfeld
Helmholtz Zentrum für Umweltforschung (UFZ), Leipzig, Deutschland.

Dr. Pasquale De Vita
Research Centre for Industrial Crops, Council for Agricultural and Economics Research (CREA), Foggia, Italien.
Beteiligte Mitarbeiter*innen: Tobias Reineke, N.N., Prof. Dr. Jakob Santner

 

Forschungshintergrund. Carboxylat-Exsudation ist ein wichtiger Prozess von 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 bisherigen Studien 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 (Abbildung 1), die auf der “Diffusive Gradients in Thin Films” Methode (DGT) basiert. Diese Methode stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber bestehenden Techniken dar.

Abbildung 1 Schematische Darstellung der Carboxylat-Probenahme mit DGT-Gelen von Pflanzen, die in Rhizotronen kultiviert wurden.

Ziele. 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.

Methoden. Ausgewählte Anionenaustauscherharze werden hinsichtlich ihrer 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.

Innovation. 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 µm-Maßstab, und die wiederholte Probenahme über die gesamte Vegetationsperiode ermöglichen. Mit dieser neuartigen Methodik werden Daten zu Carboxylat-Exsudationsmustern in Wurzelsystemen von Hartweizen in bisher nicht erreichter Qualität gesammelt werden. Diese Methode wird eine wichtige technische Lücke schließen und zur Entwicklung/Auswahl von Kultursorten mit hoher Phosphoraufnahmeeffizienz beitragen.

 

 

Weiterführende Literatur:

Tiziani R, Puschenreiter M, Smolders E, Mimmo T, Herrera JC, Cesco S, Santner J, 2021. Millimeter-resolution mapping of citrate exuded from soil grown roots using a novel, low-invasive sampling technique. Journal of Experimental Botany, https://doi.org/10.1093/jxb/erab123.