Продукция RCA в процентах от площади коры в трех классах корней кукурузы, собранной при 35 DAP в условиях с высоким и низким содержанием азота в почвенных мезокосмах (Gh3010). Показанные данные являются средними для четырех повторов ± se. Разные буквы означают значимые различия ( P <0,05).

Сегменты корня были собраны на расстоянии 20–24 см от основания корня первичного, семенного и второго оборотных корней.Представленные данные являются средними для четырех повторов шести RIL, выращенных в условиях с высоким и низким содержанием азота. Обработка ns, N не имела значимого эффекта при P = 0,05.

Производство RCA между RIL кукурузы с высоким и низким RCA, выращенной в условиях с высоким и низким N и собранным при 35 DAP в почвенных мезокосмах (GH) в 2010 г. и при 63 DAP в поле на юге Африка (Южная Америка) и Пенсильвания (Пенсильвания). Показанные данные являются средними для четырех повторов ± se. Разные буквы означают существенные различия ( P <0.05) сравнивали в каждом месте.

На участке в Южной Африке стресс N увеличивал RCA растений в среднем на 102% во время цветения. RIL с низким уровнем RCA (1, 157 и 177) в среднем составляли 9% RCA, тогда как RIL с высоким RCA (31, 34 и 338) в среднем составляли 19% RCA при стрессе N (рис. 2). На полевых участках в Пенсильвании стресс N увеличивал RCA растений в среднем на 94% во время цветения. RIL с низким RCA (1, 85, 97, 157 и 165) в среднем составляли 5% RCA, тогда как RIL с высоким RCA (56, 82, 224, 284 и 353) в среднем составляли 16% RCA при N-стрессе.RCA RIL с высоким RCA был значительно больше, чем RCA RILs с низким RCA в условиях низкого N во всех средах ( P <0,05; рис. 2).

RCA, корневое дыхание и содержание N в корневой ткани

RCA снижало корневое дыхание как в исследованиях мезокосма (Gh3010 и Gh3013), так и в полевых условиях (рис. 3-5). RIL с высоким содержанием RCA имели менее специфичное корневое дыхание, чем RIL с низким RCA, на 39% в условиях высокого N и на 42% в условиях с низким N в Gh3010 (рис. 4). У Gh3013 стресс N снижал дыхание корневого сегмента корней коронки второго оборота на 1.В 3 раза и содержание N в 5,25 раза (рис. 5, А и Б; P <0,001). В условиях низкого уровня азота ПКА отрицательно коррелировала с дыханием корневого сегмента ( r = -0,75, P <0,05) и содержанием азота в тканях корня ( r = -0,60, P <0,05). Уравнение регрессии между дыханием корневого сегмента и RCA показало, что преобразование 10% и 11% площади коры в RCA снижает дыхание корневого сегмента и содержание N на 50% (рис. 5C).

Отрицательная корреляция дыхания корневых сегментов с ПКА в почвенных мезокосмах (Gh3010; r = -0,78, P <0,001) и в поле ( r = -0,85, P <0,001).

Удельное корневое дыхание (то есть дыхание корня на единицу длины корня, полученное из дыхания всей интактной корневой системы) в генотипах с высоким и низким RCA при 35 DAP как в условиях высокого, так и низкого азота в мезокосмах. в 2010 году. Представленные данные являются средними для четырех повторов ± se.Разные буквы означают значимые различия ( P <0,05).

N снижает дыхание корневого сегмента (A) и содержание азота в корнях (B) во втором обороте кроны корней в почвенных мезокосмах (Gh3013). ПКА отрицательно коррелировала с дыханием корней ( r = -0,75, P <0,05) и содержанием N ( r = -0,60, P <0,05) в условиях низкого N (C).

RCA и рост корней

В Gh3010 стресс N уменьшил среднюю общую длину корней всех генотипов на 42%.RIL с высоким RCA имели общую длину корней на 35% больше, чем RIL с низким RCA в условиях низкого N ( P <0,05; рис. 6). Стресс N увеличивал глубину укоренения (глубина, достигаемая 95-м процентилем длины корня [D ₉₅ ]) всех генотипов на 29%. D ₉₅ RIL с высоким RCA был на 15% больше, чем RIL с низким RCA в условиях низкого N (рис. 7; дополнительный рис. S1). В Южной Африке D ₉₅ RIL с высоким RCA был на 31% больше, чем RIL с низким RCA при цветении в условиях низкого N (рис.7).

Общая длина корня RIL с высоким и низким RCA при 35 DAP в условиях высокого и низкого N в мезокосмах (Gh3010). Показанные данные являются средними для четырех повторов ± se. Разные буквы означают значимые различия ( P <0,05).

D ₉₅ линий кукурузы на 35 DAP в мезокосмах (Gh3010) и на 63 DAP в поле в Южной Африке (ЮАР) в условиях низкого N. Показанные данные являются средними для четырех повторов ± se. Разные буквы означают существенные различия ( P <0.05) в рамках эксперимента.

Фотосинтез, накопление N и масса побегов

В условиях низкого N в мезокосмах содержание хлорофилла в RIL с высоким RCA было на 22% больше, чем в RIL с низким RCA (рис. 8A). Стресс азота снижает уровень фотосинтеза листьев в среднем на 8%. RIL с высоким содержанием RCA имели на 22% большую скорость фотосинтеза, чем RIL с низким RCA в условиях низкого N (рис. 8B). В Gh3010 стресс N снижает биомассу побегов всех генотипов на 58%. При N-стрессе RIL с высоким RCA имели на 66% больше массы побегов и на 68% большее содержание N в тканях при 35 DAP по сравнению с RIL с низким RCA (рис.9; Дополнительный рис. S2). В поле в Южной Африке стресс N снижает массу побегов во время цветения в среднем на 35%. RIL с высоким содержанием RCA имели на 52% большую массу побегов и на 81% большее содержание азота в тканях, чем RIL с низким RCA при цветении в условиях низкого N (рис. 9; дополнительный рис. S2). В поле в Пенсильвании стресс N уменьшил массу побегов в среднем на 36% во время цветения. RIL с высоким RCA имели на 31% большую массу побегов и на 28% большее содержание азота в тканях, чем RIL с низким RCA в условиях низкого N (рис.9; Дополнительный рис. S2). Уравнение регрессии между урожаем зерна и RCA показало, что урожай зерна наиболее высоких генотипов RCA был на 58% больше, чем урожай генотипов без RCA в условиях низкого N (рис. 10).

Концентрация хлорофилла (A) и скорость фотосинтеза (B) RIL с высоким и низким RCA при 35 DAP как в условиях с высоким, так и с низким содержанием азота в мезокосмах (Gh3010). Показанные данные являются средними для четырех повторов ± se. Разные буквы означают существенные различия ( P <0.05).

Относительная биомасса побегов в условиях с высоким и низким содержанием азота при 35 DAP в почвенных мезокосмах (GH) в 2010 г. и во время цветения (63 DAP) на полях в Южной Африке (Южная Африка) и Пенсильвании (Пенсильвания). Показанные данные являются средними для четырех повторов ± se. Различные буквы обозначают значимые различия ( P <0,05) по сравнению с каждым местоположением. Базовые значения массы побегов следующие: GH = 1,77 г, SA = 75,28 г и PA = 159,08 г.

Корреляция между выходом и процентным содержанием RCA (% коркового вещества) при высоком N (незначительно) и низком N ( r = 0.40, P = 0,05) в полевых условиях в Пенсильвании.

ОБСУЖДЕНИЕ

В этом исследовании мы показываем, что стресс N индуцирует экспрессию RCA в тепличных и полевых условиях, что подтверждает более ранние сообщения о культивировании в растворе (He et al., 1992). Этот эффект был сильнее у линий кукурузы с высоким образованием RCA при высоком содержании азота (рис. 2). Эксперименты на мезокосмах показали, что ПКА существенно снижает дыхание корня и содержание азота в тканях (рис. 3–5). При субоптимальном доступе N RIL с высоким RCA имели большую глубину укоренения, чем RIL с низким RCA в полевых условиях в Южной Африке (рис.7; Дополнительный рис. S1). RIL с высоким содержанием RCA имели большую биомассу побегов, чем RIL с низким RCA, в условиях низкого содержания азота во всех наблюдаемых средах (рис. 9). На полях в Пенсильвании RCA привела к увеличению урожайности зерна на 58% в условиях низкого содержания азота (рис. 10). Наши результаты согласуются с гипотезой о том, что RCA увеличивает усвоение N за счет снижения затрат на метаболизм корней, уменьшения содержания N в тканях и обеспечения большей глубины укоренения, увеличения усвоения N и увеличения роста растений в субоптимальных условиях N.

В этом исследовании мы оценили полезность RCA в RILs, разделяющих экспрессию RCA, но имеющих общий генетический фон. При изучении эффектов отдельных аллелей желательно сравнивать изогенные линии, различающиеся для этого аллеля. RCA — типичный количественный признак, который неизвестным образом контролируется многими аллелями (Saengwilai 2013). Анализ трех популяций RIL кукурузы (B73 × Mo17, Oh53 × W64a и NY821 × H99) идентифицировал пять локусов количественных признаков (QTL) для области аэренхимы, объясняемых 4.От 7% до 9,4% фенотипической изменчивости и шесть QTL для процента аэренхимы, объясняющих от 5,6% до 12,9% фенотипической изменчивости (Burton, 2010). Различные QTL наблюдались в трех популяциях, и QTL, наблюдаемые в этих RIL кукурузы, не соответствовали ранее описанным QTL для аэренхимы, вызванной гипоксией при скрещивании кукурузы × teosinte ( Zea nicaraguensis ) (Mano et al., 2007). Следовательно, невозможно создать простые изогенные линии, которые различаются по формированию RCA у инбредов кукурузы: для такого исследования необходимо будет создать и сравнить множество вариантов и комбинаций аллелей.Это исследование сосредоточено на феномене и, в частности, на физиологической полезности RCA. Для такого исследования желательно варьировать RCA, сохраняя при этом другие аспекты фенотипа растения как можно более постоянными. RIL идеально подходят для этой цели, поскольку каждый RIL представляет отдельный генотип, сочетающий общий набор аллелей от общих родителей. В этих экспериментах наша цель состояла в том, чтобы выбрать почти изофенические RIL с общими корневыми фенотипами, отличными от RCA, чтобы минимизировать потенциальные эффекты вариации количества узловых корней, углов роста корней, бокового ветвления корня и диаметра корня коронки (дополнительная таблица S1) в корневом развертывании и приобретении N.Альтернативный способ сравнения контрастирующих изофеновых линий — это in silico, где можно контролировать каждую особенность фенотипа растения, как это достигается в SimRoot (Postma and Lynch, 2011a, 2011b). Комбинация результатов полевых исследований и мезокосмов заслуживает внимания, поскольку поле включает в себя переменные факторы окружающей среды, такие как температура почвы, почвенная биота и физические свойства почвы, которые могут повлиять на результаты, в то время как мезокосмы представляют собой упрощенные почвенные среды, которые позволяют лучше контролировать окружающую среду более подробное измерение свойств корня.Тот факт, что наши результаты с контрастирующими RIL в мезокосмах и двух полевых средах согласуются друг с другом, а также с предыдущими результатами in silico, является убедительным доказательством их надежности.

Мы обнаружили вариации в образовании RCA в RIL кукурузы в нестрессовых условиях и большее образование RCA при субоптимальной доступности N. Эти результаты согласуются с другими исследованиями (He et al., 1992; Zhu et al., 2010a). Интересно, что не все RIL увеличивают RCA в ответ на стресс N, особенно RIL с низким RCA (рис.2). Генетическая изменчивость степени образования RCA в ответ на стресс N предполагает, что селекционеры могут выбирать генотипы со стабильно высоким, низким или пластичным RCA. Польза фенотипической пластичности RCA в настоящее время неизвестна, но генетический контроль и полезность пластических признаков, таких как длина корневых волосков, задокументированы у кукурузы (Zhu et al., 2010b).

RCA снижает дыхание корней (рис. 3; Fan et al., 2003; Zhu et al., 2010a). Дыхание корней, связанное с ростом, поддержанием и захватом ионов, является основными компонентами метаболических затрат корней (Lambers et al., 1996; Линч и Хо, 2005). Без поддерживающего корневого дыхания смоделированные растения кукурузы имели на 72% больший рост в условиях ограничения питательных веществ (Postma and Lynch, 2011a, 2011b). Дополнительным преимуществом RCA является перераспределение питательных веществ из кортикальной ткани, что, согласно имитационному моделированию, является важной функцией у растений с дефицитом азота и фосфора (Postma and Lynch, 2011a). В этом исследовании мы обнаружили, что RIL с высоким уровнем RCA имели меньшее дыхание корня, чем RIL с низким RCA как в стрессовых, так и в нестрессовых условиях (рис.4). Высокий уровень RCA также был связан со снижением содержания азота в тканях корня в почвах с низким содержанием азота (рис. 5). N в лизированной корневой ткани растений с высоким содержанием RCA может реабсорбироваться и использоваться для поддержки роста растений, о чем свидетельствует более высокий рост корней и побегов RIL с высоким RCA по сравнению с RIL с низким RCA в почвах с низким N. Эти результаты согласуются с ответами, полученными при недостаточной доступности фосфора и воды (Fan et al., 2003; Zhu et al., 2010a). Результаты подтверждают нашу гипотезу о том, что снижение затрат на обслуживание корней позволяет RIL с высоким RCA поддерживать более крупную корневую систему и лучше изучать почву, чем RIL с низким RCA.

Fan et al. (2003) показали, что 20% RCA снижают дыхание корней на 50% в сегментах семенных корней кукурузы. В нашем исследовании мы обнаружили, что около 30% ПКА необходимо для уменьшения вдвое корневого дыхания корневых сегментов корня (рис. 3). Анатомия коронки и семенного корня принципиально схожа, но эти классы корней различаются по размеру и количеству клеток; корончатые корни, как правило, имеют больший диаметр, больше слоев кортикальных клеток и большую площадь коры (Burton et al., 2013a). Было показано, что на дыхание корня в значительной степени влияют живые части сегментов корня, такие как живые клетки коры головного мозга (Jaramillo et al., 2013). Поскольку коренные корни имеют большую долю живой ткани, чем семенные корни, мы могли бы ожидать, что потребуется больше RCA, чтобы значительно повлиять на дыхание корней в корнях корней.

Распределение корней в почве влияет на эффективность поглощения питательных веществ и воды. Например, неглубокое укоренение полезно для получения питательных веществ, доступных в верхнем слое почвы, таких как фосфор и калий (Lynch and Brown, 2001), в то время как более глубокое укоренение позволяет растениям приобретать высокомобильные ресурсы, такие как вода и нитраты, до того, как они будут потеряны из корней. зона (Kristensen, Thorup-Kristensen, 2004; Ho et al., 2005; Постма и Линч, 2011а; Zhu et al., 2010a). В условиях низкого N RIL с высоким RCA имели более высокий D ₉₅ в мезокосмах и в полевых условиях (Южная Африка), чем RIL с низким RCA (рис. 7). Поскольку RIL с высоким RCA снизили метаболические затраты на поддержание корней по сравнению с RIL с низким RCA, RIL с высоким RCA способны поддерживать больший рост корней, что приводит к большей глубине укоренения, что может улучшить усвоение N в почвах с низким N . Повышенное накопление азота в глубоком профиле почвы привело к увеличению содержания азота в листьях, содержанию хлорофилла и фотосинтезу, что положительно сказалось на общем росте и урожайности растений (рис.8–10).

В полевых условиях мы обнаружили, что полезность RCA была выше в суглинистых песках южноафриканских полевых участков, чем в илистых суглинках Пенсильвании. Хотя относительное уменьшение массы побегов, вызванное стрессом азота, было одинаковым для разных участков, растения в Южной Африке были в 2,5 раза меньше, чем растения в Пенсильвании в условиях низкого содержания азота (рис. 9), что указывает на то, что они пострадали от большего стресса. Температура в Южной Африке была выше, чем в Пенсильвании, и, возможно, была сверхоптимальной для этих линий кукурузы умеренного пояса.Во время цветения биомасса побегов RIL с высоким RCA в Южной Африке была на 52% больше, чем у RIL с низким RCA, тогда как биомасса побегов RIL с высоким RCA в Пенсильвании была только на 31% выше, чем у генотипов с низким RCA. В условиях сильного выщелачивания, таких как суглинистый песок в Южной Африке, выгода от увеличения глубины укоренения может быть более заметной, поскольку выщелачивание нитратов происходит быстрее в более грубых почвах. Эти результаты согласуются с результатами моделирования (Postma and Lynch, 2011a).

Выбор высокого уровня RCA может косвенно привести к большей чувствительности к этилену (He et al., 1992), что может повлиять на другие адаптивные корневые признаки. В этом исследовании мы тщательно отобрали RIL и сравнили корневые фены, такие как угол, количество корневых корней и ветвление корней в условиях высокого и низкого N (дополнительная таблица S1). Мы не обнаружили существенной разницы для других анатомических фенолов корня между RIL с высоким и низким RCA, выращенными в мезокосмах (Таблица I). Мы пришли к выводу, что результаты, наблюдаемые в этом исследовании, в первую очередь связаны с контрастирующими фенотипами RCA.

Знание взаимодействий между фенами имеет важное значение при разработке идеотипов для сельскохозяйственных культур, эффективных по питательным веществам.Взаимодействие между корневыми фенами может приводить к синергетическим или антагонистическим эффектам на приобретение ресурсов. В качестве примера антагонистического взаимодействия: усиление придаточного укоренения у фасоли обыкновенной ( Phaseolus vulgaris ) снижает рост боковых корней, выходящих из стержневых и базальных корней, что приводит к снижению накопления фосфора в почвах с низким содержанием фосфора (Walk et al. , 2006). В качестве примера синергетического взаимодействия в условиях низкого содержания фосфора фасоль обыкновенная получает больше преимуществ от длинных корневых волосков в сочетании с малым углом корня, чем можно было бы предсказать из дополнительных преимуществ каждого фена в отдельности (Miguel, 2011).Что касается RCA, имитационное моделирование предсказывает синергизм между RCA и плотностью ветвления боковых корней у кукурузы в условиях низкого P (Postma and Lynch, 2011a). В условиях низкого содержания азота RCA приносит пользу метаболически дорогостоящим корневым фенам, таким как большее количество корневых корней, поскольку большее количество корневых корней позволяет проводить больший объем исследования почвы за счет роста и поддержания корней (York et al., 2013). Поскольку RCA снижает метаболические затраты на рост корней в целом, мы предполагаем, что RCA также может быть синергетическим с корневыми фенами, которые улучшают исследование почвы в различных областях почвы, таких как угол корня.

Существенная генетическая изменчивость RCA встречается у кукурузы и ее родственников из рода Zea (Burton et al., 2013a). Это говорит о том, что с RCA могут быть связаны расходы. Было показано, что RCA способствует снижению гидравлической проводимости корней в корнях кукурузы в условиях низкого содержания фосфора (Fan et al., 2007). Образование RCA также препятствует радиальному переносу питательных веществ, таких как фосфат и кальций (Hu et al., 2014), хотя важность этих небольших эффектов в более старых сегментах корня для поглощения питательных веществ всей корневой системой неясна.Кроме того, RCA может повлиять на колонизацию и распространение микробов в корнях. Например, у пшеницы ( Triticum aestivum ) сорта с высокой степенью гибели кортикальных клеток корня более восприимчивы к общему корню ro t ( Deacon et al., 1982 ) . ПКА может иметь меньшее влияние на восприимчивость к болезням, чем гибель кортикальных клеток, поскольку после образования ПКА эпидермис остается неповрежденным. Образование ПКА может уменьшить микоризный симбиоз, для которого необходима живая корковая ткань. RCA также может влиять на механическую прочность корней, особенно у видов растений, у которых отсутствует структурная опора во внешней части коры, хотя кукуруза не входила в эту категорию в исследовании устойчивости к радиальному сжатию (Striker et al., 2007). Стоимость / выгода RCA и его взаимодействия с другими корневыми признаками, вероятно, будут сложными и могут различаться в разных средах. Это заслуживает исследования.

Появляется все больше свидетельств того, что RCA увеличивает захват воды и питательных веществ в условиях засухи и эдафического стресса (Fan et al., 2003; Zhu et al., 2010a; Postma and Lynch, 2011a, 2011b). Этот отчет эмпирически демонстрирует преимущества RCA для сбора азота из почв с низким содержанием азота. Генетическая изменчивость RCA присутствует у нескольких важных агрономических видов, включая пшеницу, ячмень ( Hordeum vulgare ), сорго ( Sorghum bicolor ), рис ( Oryza sativa ), фасоль и кукурузу (Liljeroth, 1995; Colmer , 2003; Fan et al., 2003; Haque et al., 2010, 2012; Zhu et al., 2010a; Промхамбут и др., 2011), что делает RCA пригодным для селекции растений. Мы предполагаем, что повышенное образование RCA может быть многообещающей целью селекции для увеличения поглощения азота из почв с низким содержанием азота и для снижения потребности в азоте в сельском хозяйстве с высоким уровнем затрат.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследование мезокосма в теплице

Растительные материалы

Семена кукурузы ( Zea mays ) RILs из популяции Intermated B73 и Mo17 (IBM) были получены от Dr.Шон Кэпплер (Университет Висконсина, Мэдисон; Senior et al., 1996; Kaeppler et al., 2000). Предыдущий скрининг показал, что RIL 337, 133 и 177 имели низкий RCA, а RIL 196, 199 и 345 имели высокий RCA в условиях низкого N. Эти RIL были посажены в мезокосмах теплиц в 2010 г. (Gh3010). Набор из шести RIL IBM (14, 111, 106, 43, 101 и 199) был посажен в тепличные мезокосмы в 2013 году (Gh3013) для изучения влияния RCA на содержание азота в тканях корня.

Схема эксперимента

Эксперименты были организованы в виде рандомизированной полной блочной схемы.Факторами были два режима N (условия с высоким и низким N), шесть RIL и четыре повтора в четырех блоках. Посев был ступенчатым на 1 день между повторами со временем посадки в качестве эффекта блока.

Условия роста

Растения выращивали с 4 октября по 24 ноября 2010 г. для Gh3010 и с 23 сентября по 29 октября 2013 г. для Gh3013. Теплица расположена на территории кампуса Пенсильванского государственного университета в Юниверсити-парке (40 ° 48′N, 77 ° 51′W) с фотопериодом 14/10 ч при 28 ° C / 24 ° C.Семена замачивали на 1 час в растворе фунгицида, состоящем из беномила (Benlate; E.I. DuPont) и 1,3 мМ металаксила (Allegiance; Bayer CropScience), а затем стерилизовали поверхность в 10% (об. / Об.) NaOCl в течение 1 мин. Семена предварительно проращивали в свернутой бумаге для проращивания (Anchor Paper), пропитанной 0,5 мм CaSO ₄ , и помещали в темноту при 28 ° C в камеру для проращивания на 2 дня. При посадке растения переносили в мезокосмы, состоящие из поливинилхлоридных цилиндров диаметром 15,7 см и высотой 160 см.Мезокосмы были покрыты прозрачной полиэтиленовой пленкой высокой плотности для облегчения отбора проб корней при сборе урожая. Питательная среда состояла из смеси (по объему) 50% среднего (0,5–0,3 мм) технического песка (Quikrete), 35% садового вермикулита, 5% перлита (Whittemore) и 10% верхнего слоя почвы. Верхний слой почвы был собран в Сельскохозяйственном исследовательском центре Рассела Э. Ларсона в Рок-Спрингс, штат Пенсильвания (мелкий, смешанный, полуактивный, срединный Typic Hapludalf, pH 6,7, илистый суглинок). В каждом мезокосме использовалось тридцать три литра смеси, чтобы обеспечить одинаковую насыпную плотность среды.За день до посадки мезокосмы пропитывали 5 л питательного раствора, доведенного до pH 6. В Gh3010 питательный раствор для обработки с высоким содержанием азота состоял (в мкм) из: NO ₃ (7000), NH ₄ (1000), P (1000), калий (3000), кальций (2000), SO ₄ (500), магний (500), хлор (25), бор (12,5), марганец (1), цинк (1), медь (0,25), молибден (0,25) и Fe-диэтилентриаминпентауксусная кислота (100). Для обработки с низким содержанием азота NO ₃ и NH ₄ были уменьшены до 70 и 10 мкм соответственно.В Gh3013 нитрат использовался как единственный источник азота для обработки как с высоким, так и с низким содержанием азота. На мезокосм высевали по два проросших семени и прореживали через 4 дня до одного растения на мезокосм. Растения поливали через день 100 мл деионизированной воды. Данные об окружающей среде собирали в теплице ежечасно с использованием регистратора данных HOBO U10-003 (начало). Почвенные растворы собирали с интервалами глубины 20 см еженедельно с использованием микропробоотборника диаметром 2,5 мм и длиной 9 см (Soilmoisture Equipment). Растворы хранили при -80 ° C до обработки.Концентрации нитратов в растворах определяли с использованием протокола хлорида ванадия (III) согласно Doane and Horwáth (2003).

Отбор образцов корней, дыхание корневых сегментов и распределение корней в мезокосмах

Побеги и корни собирали при 35 DAP. При сборе урожая полиэтиленовые вкладыши снимали с мезокосмов и укладывали на станцию ​​для промывания корней. Сегменты корня собирали на расстоянии 20–24 см от основания корней первичной, семенной и второй оборотов коронки.Образцы хранили в 75% (об. / Об.) Этаноле при 4 ° C до обработки и анализа. Для изучения распространения корней вкладыши разделяли на 20-сантиметровые сегменты, начиная от основания побега. Корни разрезали и отделяли от каждого сегмента путем тщательной промывки водопроводной водой. Корни консервировали в 75% (об. / Об.) Этаноле. Общая длина корней была получена путем сканирования и анализа образцов консервированных корней с помощью WinRHIZO Pro (Régent Instruments). Дыхание всего корня измеряли за 1 день до сбора урожая в Gh3010 согласно Jaramillo et al.(2013). Короче говоря, акриловая пластина была помещена вокруг одного растения на вершине мезокосма и тщательно закреплена пластилином вокруг стебля растения. Планшет соединяли с инфракрасным газоанализатором LI-6200 (IRGA; LI-COR) полиэтиленовой трубкой для измерения дыхания всей корневой системы. Концентрацию углекислого газа контролировали в течение 2 мин для каждого растения. Дыхание корня на единицу длины рассчитывали путем деления скорости дыхания всего корня на общую длину корня, полученную с помощью WinRHIZO Pro, как описано выше.Дыхание корневых сегментов измеряли на трех 4-сантиметровых корневых сегментах корня второго оборота в Gh3010 и на трех 8-сантиметровых сегментах корня в Gh3013. Сегменты вырезали на расстоянии 20 см от основания корня, а боковые корни удаляли лезвием с тефлоновым покрытием. Через двадцать минут после удаления образцы помещали в камеру, подключенную к LI-6200 IRGA (LI-COR) в Gh3010 и к LI-6400 IRGA (LI-COR) в Gh3013. Для обоих экспериментов температура камеры поддерживалась на уровне 27 ° C с использованием водяной бани.Выделение углекислого газа из сегментов корня регистрировали каждые 5 с в течение 180 с. После измерения дыхания сегменты корня хранили в 75% (об. / Об.) Этаноле для анатомического анализа.

Измерение RCA

В Gh3010 поперечные срезы корней были получены вручную с помощью двухсторонних лезвий из нержавеющей стали с тефлоновым покрытием (электронная микроскопия). Срезы корней исследовали на инвертированном световом микроскопе Diaphot (Nikon) при увеличении 2,8x. Три раздела были выбраны в качестве подвыборки для захвата изображения.Микроскоп был снабжен черно-белым модулем видеокамеры XC-77 CCD (Hamamatsu). Программное обеспечение ImageMaster 5.0 (Photon Technology International) использовалось для захвата и сохранения изображений. Анализ изображений проводился в MatLab 7.6 2008a (The MathWorks) с использованием RootScan, программы для полуавтоматического анализа изображений анатомических признаков в поперечных сечениях корня (Burton et al., 2012). RCA выражали в процентах от площади коркового слоя корня. У Gh3013 корни были удалены с помощью лазерной абляционной томографии (Saengwilai, 2013).Вкратце, лазерная абляционная томография — это полуавтоматическая система, которая использует лазерный луч для испарения или сублимации корня в фокальной плоскости камеры перед этапом визуализации. Образец увеличивается, испаряется или сублимируется и отображается одновременно. Изображения поперечного сечения были получены с помощью камеры Canon T3i с 5-кратной микролинзой (MP-E 65 мм) на освещенной лазером поверхности.

Сухая масса побегов и статус растения N

Как для Gh3010, так и для Gh3013, за 1 день до сбора урожая, газообмен в листьях вторых самых молодых полностью распустившихся листьев измеряли с помощью LI-6400 IRGA (LI-COR) с использованием красного синий свет при фотосинтетически активной радиации с интенсивностью фотонов 1200 мкмоль m ⁻² с ⁻¹ и постоянной концентрации CO ₂ 400 мкл л ⁻¹ .При сборе урожая для измерения хлорофилла были собраны листовые диски диаметром 6 мм со второго самого молодого полностью развернувшегося листа. Хлорофилл экстрагировали 80% (об. / Об.) Ацетоном. Концентрации хлорофилла a и b в экстрактах определяли при длинах волн 663,2 и 646,8 нм с помощью спектрофотометра (Lichtenthaler and Buschmann, 2001). Перед определением сухой массы побеги и сегменты корней сушили при 60 ° C в течение 72 ч. Побеги измельчали, и от 2 до 3 мг измельченных тканей использовали для анализа азота в тканях с использованием элементного анализатора (Series II CHNS / O Analyzer 2400; PerkinElmer).

Полевые исследования

Полевые условия, экспериментальный план и растительные материалы

Эксперименты проводились с февраля по апрель 2010 года в Альме, провинция Лимпопо, Южно-Африканская Республика (24 ° 33′00.12 ю.ш., 28 ° 07′25.84 E, 1235 метров над уровнем моря) и с июня по август 2011 года в Исследовательском и образовательном центре Рассела Ларсона Государственного университета Пенсильвании в Рок-Спрингс (40 ° 42′37′′0.52N, 77 ° 57′07′′0.54W. , 366 метров над уровнем моря). Почвы на экспериментальных участках представляли собой супесчаный песок (Typic Ustipsamment) в Альме и илистый суглинок Hagerstown (мелкий, смешанный, полуактивный, мезический Typic Hapludalf) в Рок-Спрингс.Основываясь на анализе почвы в начале вегетационного периода, азотные удобрения вносили из расчета 30 кг N га ⁻¹ пять раз до цветения, в результате получилось 150 кг N га ⁻¹ в целом для участков с высоким содержанием азота. в Алме. Участки с низким содержанием азота получили 30 кг N га ⁻¹ только в начале вегетационного периода. В Рок-Спрингс на поля вносили 915 г опилок ^-2 для иммобилизации почвы N. Участки с высоким содержанием азота удобряли 150 кг карбамида N га ⁻¹ , а участки с низким содержанием азота не получали азотных удобрений.В обеих средах уровни питательных веществ в почве, содержащие другие макроэлементы и микроэлементы, были скорректированы в соответствии с требованиями для выращивания кукурузы, определенными в результате испытаний почвы. Борьба с вредителями и полив проводились по мере необходимости. Основываясь на предыдущих экспериментах, проведенных в этой области (P. Saengwilai, KM Brown и JP Lynch, неопубликованные данные), шесть RIL IBM, состоящих из RIL с низким RCA (1, 157 и 177) и RIL с высоким RCA (31, 34 , и 338) были высажены в Алме, а 10 RIL IBM, состоящих из RIL с низким RCA (1, 85, 97, 157 и 165) и с высоким RCA RIL (56, 82, 224, 284 и 353), были высажены в Рок-Спрингс.Эксперименты были организованы по схеме с разделенными делянками, с двумя обработками N в качестве фактора всей делянки и генотипом в качестве фактора разделения делянки. Пятистрочные участки каждого генотипа (длиной 6 м) случайным образом распределялись внутри каждого участка. Ширина ряда составляла 75 см, а расстояние внутри ряда составляло 23 см, в результате чего плотность посадки составляла 5,8 м ^-2 _. Растения собирали через 9 недель после посадки (стадия цветения) на полях Южной Африки и Пенсильвании.

Отбор проб, дыхание сегментов корня и распределение корней в поле

При сборе урожая три 4-сантиметровых корневых сегмента корней коронки второго оборота были вырезаны на расстоянии 8–12 см от основания корня, а боковые корни были удалены. снимается лезвием с тефлоновым покрытием.Три корневых сегмента помещали в камеру для пробирок, подключенную к LI-6400 IRGA (LI-COR). Температура камеры поддерживалась на уровне 27 ° C с использованием водяной бани. Выделение углекислого газа из сегментов корня регистрировали каждые 5 с в течение 180 с. После измерения дыхания сегменты корня хранили в 75% (об. / Об.) Этаноле для анатомического анализа.

Для распределения корней почвенные стержни были взяты в посадочном ряду на полпути между двумя растениями с помощью оборудования для взятия кернов почвы (машина Giddings).Ядра делили на сегменты по 10 см, из каждого сегмента почвы извлекали корни.

Длина корня была получена, как описано ранее для образцов мезокосма. Процент длины корня на каждой глубине был рассчитан в каждом ядре почвы. D ₉₅ был рассчитан путем линейной интерполяции между совокупными длинами корней (Trachsel et al., 2013).

Сухой вес побегов, измерения хлорофилла, содержание N в тканях и урожай

За день до сбора урожая газообмен листьев початков был измерен с помощью LI-6400 IRGA (LI-COR) с использованием красно-синего света при температуре фотосинтетически активная интенсивность излучения 1800 мкмоль фотонов m ⁻² с ⁻¹ и постоянная концентрация CO ₂ 360 мкл л ⁻¹ .В Рок-Спрингс листовые диски диаметром 6 мм были взяты из листьев початков для измерения хлорофилла. Хлорофилл экстрагировали 80% (об. / Об.) Ацетоном. Концентрации хлорофилла a и b в экстрактах определяли при длинах волн 663,2 и 646,8 нм с помощью спектрофотометра (Lichtenthaler and Buschmann, 2001). Перед определением сухой массы всходы сушили при 60 ° C в течение 72 ч. Листья и стебли измельчали, и от 2 до 3 мг измельченных тканей брали для анализа азота в тканях с использованием элементного анализатора (Series II CHNS / O Analyzer 2400; PerkinElmer).Урожай собирали при физиологической зрелости в полевых исследованиях в Пенсильвании.

Статистический анализ

Статистический анализ проводился с использованием R версии 2.15.1 (R Development Core Team). Модели линейных смешанных эффектов были подобраны с использованием функции lme из пакета nlme (Pinheiro et al., 2012), а двухфакторный дисперсионный анализ был использован для сравнения между группами с высоким и низким RCA (или отдельными RIL), уровнями N. , и взаимодействие между этими основными эффектами. Защищенный тест lsd posthoc (α = 0.05) и метод достоверно значимых различий Тьюки (α = 0,05) были использованы для множественных сравнений. Корреляции и линейные регрессии были выполнены между признаками побега и корня с RCA и дыханием корня, а также между RCA и урожайностью.

Дополнительные данные

Следующие материалы доступны в онлайн-версии этой статьи.

Благодарности

Мы благодарим Боба Снайдера, Кертиса Фредерика и Йохана Принслоо за руководство экспериментами в тепличных мезокосмах и в полевых условиях в Соединенных Штатах и ​​Южной Африке; Фрэнсис Харриман, Джина Риджио и Майкл Уильямс за помощь в секционировании и анализе изображений; и Ларри М.Йорку и Йоханнесу Постма за рецензию на статью.

Сноски

• www.plantphysiol.org/cgi/doi/10.1104/pp.114.241711

• Автор, ответственный за распространение материалов, составляющих выводы, представленные в этой статье, в соответствии с политикой, описанной в Инструкциях. для авторов (www.plantphysiol.org): Джонатан Пол Линч (jpl4 {at} psu.edu).

• №1 Эта работа была поддержана Национальным научным фондом / фундаментальными исследованиями для ускорения развития сельского хозяйства (грант №4184 – UM – NSF – 5380) и Фонд Говарда Баффета.

• ↵ [ОТКРЫТЬ] Статьи можно просматривать онлайн без подписки.

• ↵ [W] Онлайн-версия этой статьи содержит данные только для Интернета.

Глоссарий

N

азот

P

фосфор

RCA

кортикальная кортикальная аэренхима

RIL

рекомбинантная инбредная линия

0

0 глубина, достигаемая 95-м процентилем длины корня

QTL

локусов количественных признаков

IBM

Intermated B73 и Mo17

IRGA

инфракрасный газоанализатор

• Поступила 20 апреля 2014 г.
• Принято 26 мая 2014 г.
• Опубликовано 2 июня 2014 г.

ССЫЛКИ

1. ↵
2. ↵

   Barber SA (1995) Биодоступность питательных веществ в почве: механистический подход. John Wiley & Sons, Нью-Йорк

3. ↵
4. ↵

   Burton AL (2010) Фенотипическая оценка и генетическая основа анатомических и архитектурных признаков у представителей рода Zea . Кандидатская диссертация. Государственный университет Пенсильвании, Университетский парк

5. ↵
6. ↵
7. ↵
8. ↵
10. ↵
11. ↵
12. ↵
13. ↵

    Esau K (1977 г.) AnatomyJohn Wiley & Sons, Нью-Йорк

14. ↵
16. ↵
17. ↵
18. ↵
19. ↵
20. ↵
21. ↵
22. ↵
000
24. ↵

    Lambers H, Atkin O, Millenaar F (2002) Паттерны дыхания в корнях в зависимости от их функционирования. In Y Waisel, A Eshel, T Beeckman, U Kafkafi, ред., «Корни растений: скрытая половина», изд. 3. Марсель Деккер, Нью-Йорк, стр. 521–552

25. ↵

    Lambers H, Atkin O, Scheurwater I. (1996) Паттерны дыхания в корнях в зависимости от их функционирования. In Y Waisel, A Eshel, T Beeckman, U Kafkaki, ред., «Корни растений: скрытая половина», изд. 2. Марсель Деккер, Нью-Йорк, стр. 323–362

26. ↵
30. ↵
31. ↵
32. ↵
34. ↵
) Минеральное питание высших растений, Эд 2. Academic Press, San Diego
37. ↵

    Miguel M (2011) Функциональная роль и синергетический эффект свойств корней для эффективности усвоения фосфора и их генетической основы в фасоли обыкновенной ( Phaseolus vulgaris Л.). Кандидатская диссертация. Университет штата Пенсильвания, Университетский парк

38. ↵
39. ↵
40. ↵
41. ↵
42. ↵
43. ↵
44. ↵

    Ribaudo M, Delgado J, Hansen L, Livingston M, Mosheim R, Williamson ) Азот в сельскохозяйственных системах: значение для политики сохранения. Министерство сельского хозяйства США, Вашингтон, округ Колумбия

45. ↵
46. ↵

    Saengwilai P (2013) Признаки корня для эффективного сбора азота и полногеномного ассоциативного картирования анатомических признаков корня кукурузы ( Zea mays L.). Кандидатская диссертация. Государственный университет Пенсильвании, Университетский парк

47. ↵
48. ↵
49. ↵
50. ↵
52. ↵
53. ↵

    UNEP и WHRC (2007) Реактивный азот в окружающей среде: слишком мало или слишком много Хорошая вещь. Программа ООН по окружающей среде, Париж

54. ↵
55. ↵
56. 2
57. ↵
58. 2
59. 2

Обжаренные гребешки с кукурузой и эстрагоном

Угадайте, что сегодня?!?! Сегодня….день рождения моей мамы! С днем ​​рождения, мама!!!!

Моя мама самая лучшая. Верный, хороший слушатель, щедрый, медленный на гнев. (На самом деле я не могу вспомнить, когда она в последний раз злилась на меня — хотя я знаю много раз, что она могла сердиться!) Лучше всего то, что она верит в меня на 110%, всегда, без отказа и предельный энтузиазм независимо от обстоятельств. Довольно здорово, а? Обычно, чтобы отпраздновать свою маму, я предпочитаю готовить для нее, но в этом году мы делаем все по-другому.Так как в этом месяце нам действительно есть что отпраздновать (подробнее об этом позже), я приглашаю маму на ужин сегодня вечером. Но, если бы я готовил для нее, это было бы блюдо — Обжаренные гребешки с кукурузой и эстрагоном.

В смысле, это идеальное летнее праздничное блюдо! Возможно, у вас есть кто-то, кого вы должны отпраздновать в этом месяце?

С годами я узнал, что гребешки — один из тех ингредиентов, которые людям страшно готовить дома.Но этого не должно быть! Морские гребешки так легко приготовить, и они того стоят. Вот несколько вещей, о которых следует помнить при покупке морских гребешков.

Три основных совета по покупке гребешка:

1. Найдите хороший источник.
   • Я делаю покупки во многих магазинах, но морепродукты покупаю только в некоторых. Экспозиция и продукция на ней должны выглядеть свежо и живо. Не увядший, не уставший или, как я часто говорю, «грустный». И вы обязательно должны иметь возможность задавать вопросы людям, которые там работают. Если они проявят к вам какое-либо отношение, уйдите и сделайте покупки в другом месте.
2. Покупайте в свежем, незамороженном или ранее замороженном виде.
   • На мой взгляд, свежий продукт — лучший продукт и, следовательно, дает лучшее конечное блюдо.
3. Спросите целые гребешки
   • Я всегда прошу встречного человека, который отбирает мои гребешки, выбрать целые, а не расколотые или развалившиеся. Честно говоря, иногда это требует некоторого отношения, но меня это не волнует. Морские гребешки хрупкие, и чем больше с ними обращаются и перевозят, они могут начать рваться на части, так что не обижайтесь, но это не те, за которые я хочу платить.

Еще одна вещь, на которую следует обратить внимание, это то, что у гребешков есть небольшая боковая мышца, называемая стопой, которую нужно удалить перед приготовлением. Я сфотографировал их на черной пластине выше, чтобы на контрасте лучше были видны маленькие мускулы. Выше вы видите, как они слегка отодвинулись. Они очень легко отслаиваются, а в некоторых случаях уже отвалились. Так что просто взгляните и удалите все, что видите.

Я всегда кладу гребешки на тарелку бумажного полотенца перед тем, как приступить к приготовлению пищи, чтобы можно было удалить лишнюю влагу и добиться наилучшего качества поджаривания.

Итак, приготовив гребешки, приступим к делу. Начните с обжаривания кубиков панчетты в сотейнике. Я люблю покупать эти пакеты предварительно нарезанной кубиками панчетты, так что я могу просто бросить их прямо в кастрюлю.

Пока панчетта подрумянивается, я подготавливаю остальные ингредиенты — стряхиваю кукурузу с початка, нарезаю цуккини, нарезаю эстрагон и отмеряю вино и молоко. Поскольку этот рецепт быстро развивается, мне нравится, чтобы все было под рукой!

После приготовления панчетты я шумовкой перекладываю ее на другую тарелку бумажных полотенец.В результате на сковороде остается немного жира, чтобы кукуруза получилась кремообразной. Причем, экономия на посуде!

Я добавляю кукурузные зерна в теплый свиной жир всего на несколько минут, затем делаю заправку, растопив немного масла и добавив немного муки. Эй, никто не обещал, что это будет здоровый праздник!

Затем я дегладирую белым вином, потому что вино и морепродукты полезны друг для друга. Далее идет молоко. Я использовал в рецепте 2% молоко, потому что хотел, чтобы оно было немного легче, но цельное молоко тоже подойдет.

Чтобы закончить соус / гарнир, я добавляю эстрагон, кабачки, соль и перец и снова добавляю приготовленную панчетту. Разве это не мило ?! Теперь гребешки готовятся так быстро, что вы можете делать одно из двух. Вы можете а) положить гребешки на отдельную сковороду, когда кукурузный соус начнет загустевать, что поможет получить более единообразное послевкусие. Или б) вы можете закончить соус и отложить его в сторону, пока готовите гребешки, что помогает сосредоточиться на чем-то одном. Это хороший вариант, если вы новичок в приготовлении морских гребешков или не умеете их готовить.

Имейте в виду, что если кремовая кукуруза отложится в сторону, она продолжит густеть, но если она станет слишком густой, просто добавьте еще молока, чтобы она стала жидкой, перед подачей на стол.

Что мне нравится в приготовлении морских гребешков, так это то, что они совсем не требуют времени. Максимум 2-3 минуты на каждую сторону для гребешков размером U10-12. Гребешки лучше всего подавать слегка недоваренными, и если вы посмотрите по сторонам, вы увидите почти встроенный датчик температуры. Снимите их с огня, когда они все еще будут иметь слегка полупрозрачную полосу по центру.Чтобы подать, просто положите немного сливочной смеси кукурузы и эстрагона на каждую тарелку и положите сверху обжаренные гребешки.

Разве не дни рождения, а мама классная? В честь удивительной мамы повсюду, оставьте комментарий ниже и расскажите мне, что вам больше всего нравится в своей маме!