Badanie oddziaływań korzeni i gleby może zwiększyć produkcję roślinną
Fosfor jest kluczowym składnikiem odżywczym występującym w glebie, nieodzownym elementem procesów takich jak przekazywanie energii i rozwój elementów wewnętrznych roślin, a nawet częścią szkieletu struktury DNA. Jak twierdzi Frederik van der Bom(odnośnik otworzy się w nowym oknie) z Uniwersytetu Kopenhaskiego(odnośnik otworzy się w nowym oknie): „Bez fosforu komórki nie byłyby w stanie ulegać podziałowi, magazynować energii ani przekazywać informacji genetycznej, co oznaczałoby zatrzymanie wzrostu, rozmnażania i docelowo zanik życia na Ziemi”. Dostępność fosforu dla roślin pozostaje jednak niska ze względu na jego wysoką reaktywność i tworzenie ścisłych wiązań z cząsteczkami gleby oraz nierozpuszczalnych związków. Jednym z rozwiązań tego problemu jest wykorzystywanie przez rolników nawozów rozpuszczalnych, jednak pomimo wzrostu wydajności plonów nadal stanowi to marnotrawstwo zasobów i stanowi zagrożenie dla środowiska. Aby lepiej zrozumieć proces pobierania fosforu przez rośliny, zespół projektu RootOutP pracujący pod kierunkiem van der Boma opracował metody wizualizacji i kwantyfikacji tego procesu in situ.
Rozwój obrazowania korzeni i mapowania chemicznego
Złożone reakcje fosforu w glebie powodują, że może występować on w wielu formach w zależności od zróżnicowanych czynników, takich jak lokalne właściwości gleby i połączenie z biomasą. Te zmienne utrudniają ocenę jego dostępności dla roślin. „W praktyce ograniczamy się głównie do przybliżonych szacunków, które tak naprawdę nie zmieniły się zbytnio od lat 50. lub 60. ubiegłego wieku”, dodaje van der Bom. Rośliny stosują szereg strategii w celu poprawy wychwytywania fosforu przez korzenie, w tym zdolność do rozwoju systemów korzeniowych w strefach występowania dużej ilości tego pierwiastka, a także manipulowania środowiskiem chemicznym w ryzosferze(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Kluczowym problemem utrudniającym ocenę skuteczności tych strategii jest nieprzejrzystość gleby. Jak zauważa van der Bom: „Nie możemy obserwować korzeni w taki sam sposób, w jaki obserwujemy rośliny naziemne. Niestety wciąż wiemy zaskakująco niewiele o tym, co dzieje się pod ziemią. Chcieliśmy zmienić ten stan rzeczy”. Ze względu na nieprzejrzystość gleby, wiele badań przeprowadza się w laboratoriach lub szklarniach przy użyciu sztucznych substratów, w tym piasku, żelu lub środowisk hydroponicznych. Ponadto wiele doświadczeń opiera się na obserwacjach 2D. Zazwyczaj w tym celu badacze pobierają próbki, wypłukują glebę, a następnie analizują właściwości korzeni. Jednak oprócz tego, że jest to pracochłonne i kosztowne, takie rozwiązania prowadzą do zniszczenia części systemów korzeniowych wraz z dużą częścią ich struktury. W ramach projektu RootOutP badania przeprowadzono przy użyciu tomografu rentgenowskiego 3D(odnośnik otworzy się w nowym oknie) oraz australijskiego synchrotronu(odnośnik otworzy się w nowym oknie). W ramach prac badacze zobrazowali strukturę korzeni pszenicy i ich reakcję na kontrastowe dawki fosforu zarówno w trzech, jak i w czterech wymiarach - z uwzględnieniem zmian w czasie. Korzenie zostały następnie posegmentowane i cyfrowo oddzielone od gleby. Proces ten wiązał się z wieloma trudnościami, ponieważ niektóre cechy gleby, na przykład wypełnione wodą pory, przypominają korzenie, które same w sobie różnią się na całej długości. W celu skutecznego przeprowadzenia tego działania zespół nawiązał współpracę z partnerami w celu opracowania nowych algorytmów uczenia głębokiego. Ponadto zespół postawił sobie za cel analizę i kwantyfikację substancji chemicznych występujących w otoczeniu poszczególnych korzeni przy użyciu metody dyfuzyjnych gradientów w cienkich warstwach(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (DGT). Badacze zaobserwowali różnice w stężeniach cytrynianów między wybranymi genotypami, a także ich związek z pH ryzosfery i niedoborem fosforu. „Udało nam się zaobserwować, jak różne systemy korzeniowe reagują na punkty wysokiego stężenia fosforu, a także zestawić tę reakcję z chemicznymi właściwościami fosforu w danej strefie”, wyjaśnia van der Bom.
Skuteczniejsze działania dla sektora rolnictwa
Wykorzystanie rezultatów badań przeprowadzonych w ramach projektu RootOutP może przynieść korzyści rolnikom, agronomom oraz podmiotom prowadzącym działania na rzecz ekologii i zrównoważonego rozwoju. Wiedza zdobyta w ramach projektu może pomóc hodowcom roślin w wyborze korzeni najlepiej pobierających składniki odżywcze na potrzeby przyszłych upraw. Obecnie van der Bom stara się pozyskać finansowanie na dalsze badania in situ oddziaływań korzeni i gleby, starając się zbudować nową dziedzinę badań i innowacyjnych rozwiązań. „Proces ten jest jednak zbyt złożony dla badaczy zajmujących się roślinami i glebą, co wymaga nawiązania współpracy z ekspertami obliczeniowymi”, dodaje van der Bom. Realizację projektu umożliwiło wsparcie w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
