根の形態と滲出液の利用可能性は、土壌中の粒子径と化学的性質によって形成される

Root morphology and exudate availability are shaped by particle size and chemistry in .

• Joelle Sasse
• Suzanne M Kosina
• Markus de Raad
• Jacob S Jordan
• Katherine Whiting
• Kateryna Zhalnina
• Trent R Northen

抄録

根の形態と滲出液は、土壌における植物の影響範囲を定義する。さらに、土壌の特性は、植物の成長、形態、根の微生物群、根圏化学に影響を与える。これらのパラメータはすべて、主要な生物地球化学サイクル、作物の収量、生態系の健全性に重要な影響を与えている。しかし、植物が土壌粒子の物理化学によってどのように形成されるかは、まだ十分に理解されていない。我々は、成長基質の粒子径と化学的性質がモデルイネ科植物の根の形態と滲出液にどのように影響を与えるかを探った。様々なサイズ（0.5、1、2、3mm）のガラスビーズ、砂（0.005、0.25、4mm）や粘土（4mm）粒子、粒子のない水耕栽培培地で生育させた。植物の形態、根重量、シュート重量を測定した。その結果、粒子径は根の鮮度重量と根長に有意な影響を与えたが、根数とシュート重量は一定であった。次に、植物の滲出液プロファイルを質量分析イメージングと液体クロマトグラフィー-質量分析で分析した。その結果，根長と根数の両方が根の滲出量を形成していることが示唆された。滲出液プロファイルは、様々な粒子サイズのガラスビーズや砂で生育している植物では同等であったが、粘土で生育している植物では、原位置で滲出液を採取する場合には異なる結果が得られた。粘土粒子は、粘土生育の植物から滲出する化合物の20％、および定義された滲出液培地からの化合物の70％を吸着していることがわかった。吸着した化合物は、ヌクレオシド、有機酸、糖類、アミノ酸など、様々な化学クラスに属していた。吸着した化合物の一部は根粒菌(WCS415)によって脱着され、根粒菌の生育をサポートすることができた。この研究は、根の形態、植物の滲出、微生物への栄養素の利用可能性に対する粒子の異なる特性の効果を実証している。これらの知見は、植物の形態学、植物化学、植物と微生物の相互作用を研究する際に、土壌の物理化学的特性の重要性をさらに支持するものである。

Root morphology and exudation define a plants' sphere of influence in soils. In turn, soil characteristics influence plant growth, morphology, root microbiome, and rhizosphere chemistry. Collectively, all these parameters have significant implications on the major biogeochemical cycles, crop yield, and ecosystem health. However, how plants are shaped by the physiochemistry of soil particles is still not well understood. We explored how particle size and chemistry of growth substrates affect root morphology and exudation of a model grass. We grew in glass beads with various sizes (0.5, 1, 2, 3 mm), as well as in sand (0.005, 0.25, 4 mm) and in clay (4 mm) particles and in particle-free hydroponic medium. Plant morphology, root weight, and shoot weight were measured. We found that particle size significantly influenced root fresh weight and root length, whereas root number and shoot weight remained constant. Next, plant exudation profiles were analyzed with mass spectrometry imaging and liquid chromatography-mass spectrometry. Mass spectrometry imaging suggested that both, root length and number shape root exudation. Exudate profiles were comparable for plants growing in glass beads or sand with various particles sizes, but distinct for plants growing in clay for in situ exudate collection. Clay particles were found to sorb 20% of compounds exuded by clay-grown plants, and 70% of compounds from a defined exudate medium. The sorbed compounds belonged to a range of chemical classes, among them nucleosides, organic acids, sugars, and amino acids. Some of the sorbed compounds could be desorbed by a rhizobacterium ( WCS415), supporting its growth. This study demonstrates the effect of different characteristics of particles on root morphology, plant exudation and availability of nutrients to microorganisms. These findings further support the critical importance of the physiochemical properties of soils when investigating plant morphology, plant chemistry, and plant-microbe interactions.

© 2020 The Authors. Plant Direct published by American Society of Plant Biologists, Society for Experimental Biology and John Wiley & Sons Ltd.