RESEARCH PAPER
Effect of localized soil oxygen stress on root and shoot development in maize ( a model rhizotrone study)
 
More details
Hide details
1
Instytut Agrofizyki PAN, ul. Doświadczalna 4, 20-290 Lublin 27
Publish date: 2019-11-04
 
Acta Agroph. 1994, (3), 3–72
KEYWORDS
ABSTRACT
The aim of the study was to test the usefulness of split rhizotrone technique to investigate the effect of localized soil anoxia on root and shoot development, using maize as a test plant. The experiment was performed in 6 split rhizotrons enabling differentiation of soil aeration status in each half of the rhizotron by blowing nitrogen or air through them. The rhizotrone consists of two parts (each 16.6 dm3 in volume) inclined with an angle 60°. Each part is constructed of l mm thick stainless steel plate with a glass inner wall for root observation and has dimensions 84 cm x 40.5 cm x 5.0 cm. The rhizotrons were filled in with a brown loess soil material (Eutric Cambisol) from Ap horizon (from Elizówka, near Lublin). Maize seedlings with the roots splitted between the rhizotrone halves (cultivars KLG 2210 and DEA) were used in the experiments. Until the stress period the soil moisture tension of 20-80 kPa provided good water and air conditions. At a stage of 8 leaves three treatments were applied for a period of 7 days: an oxic control (P/P), a localized anoxia with 50% of the roots in nitrogen treated part (P/A), and a complete anoxia (A/A) with gas nitrogen in both parts. During the stress period diurnal elongation rates of primary roots (by marking positions of the tips each day) as well as distribution of two indicators of soil oxygenation status with depth viz. of oxygen diffusion rate (ODR) and of redox potential (Eh) in soil were measured. Shoot elongation rates were monitored with a potentiometer attached to the youngest leaf. Microscopic photographs of cross-sections of the caps and of apical meristems of primary roots at 400 magnification were made to show the changes in their anatomy due to anoxia. Chemical analysis of the shoots was performed after the stress period. For each cultivar the experiment was repeated three times. The investigations performed allowed the following conclusions to be drown out: 1. The split rhizotrone was shown to be a useful technique to study behaviour of the primary maize roots under localized anoxia conditions. 2. The ODR and Eh distribution with depth showed deterioration of oxygenation status (drop of ODR from control values above 100 µg m–2 s–1 to the level < 30 µg m–2 s–1, decrease of Eh from control values above 550 mV to the level, < 300 mV) due to replacement of the soil air with gaseous nitrogen. 3. Root elongation rates under anoxic conditions (both under complete - A/A, and localized - A/P anoxia) were on the level of about 50% of the controle (P/P) during first 4 days and decreased practically to zero by the end of the stress period. In turn, the oxic part of the rhizotrone combined with localized anoxia treatment of the same plant (P/A) exhibited compensation effect and was characterized by stimulation of the root elongation rate up to 80%. This effect was especially distinct after 2-5 days of the stress duration and then tended to de-crease. 4. Distribution of the root mass in depth under anoxic treatments was characterized by concentration of about 80% of the root mass within first 10 cm of the soil. 5. Microscopic photographs of the root tips showed, under anoxic conditions, shorter meristematic zone, smaller number of mitosis, beginning of aerenchyma formation and dying of the cells at a distance of l mm from the root cap. 6. The shoots responded to applying anoxia to both rhizotrone parts by 20% reduction of the growth rate. 7. Both root and shoot elongation rates were correlated also with the temperature. 8. Oxygen deficiency in soil resulted in an increase of exchangeable manganese, what was reflected by its increased concentration in the maize shoots.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Wpływ zlokalizowanego stresu tlenowego w glebie na rozwój korzeni i części nadziemnych kukurydzy (modelowe badania rizotronowe)
agrofizyka, gleby, kukurydza, system korzeniowy, wzrost roślin, badania modelowe, badania rizotronowe, dynamika rozwoju, powietrze glebowe, aeracja, stres tlenowy
Aeracja gleby – obejmująca całokształt dynamiki oddziaływania powietrza glebowego na glebę i roślinę, a w szczególności stan jej natlenienia, czyli rozkład dostępności tlenu dla mikroorganizmów i korzeni roślin – stanowi ważny czynnik agrofizyczny żyzności gleby. System korzeniowy roślin najczęściej doświadcza stresów, w tym także niedotlenienia w sposób zlokalizowany. Oznacza to, że tylko określona jego część znajduje się w warunkach stresowych, to jest odbiegających od optimum w sposób na tyle wyraźny, że powoduje to mniej lub bardziej gwałtowną reakcję rośliny, podczas gdy część pozostała przebywa w warunkach zbliżonych do optimum. Dlatego dla zrozumienia reakcji roślin na warunki tlenowe istnieje potrzeba prowadzenia badań nad zlokalizowanym stresem tlenowym. Uzyskane w ten sposób dane mogłyby być wykorzystane m.in. do modelowania rozmieszczenia czasowo-przestrzennego systemu korzeniowego w glebie. Większość bowiem dotychczasowych prac, dotyczących wpływu niedotlenienia na rośliny, prowadzona była przy utrzymywaniu całego systemu korzeniowego w jednakowych warunkach. Nieliczne istniejące prace na temat zlokalizowanego stresu tlenowego dotyczą roślin hodowanych na ciekłych pożywkach (Schumacher i Smucker, 1984, 1985, 1987; Bousąue, 1987) brakuje natomiast badań prowadzonych w ośrodku glebowym. Zlokalizowana hipoksja – czyli częściowy niedobór tlenu, lub anoksja - zupełny jego brak, może bowiem hamować wzrost korzeni w obszarze stresowym, prowadzić do ich obumierania, jak też do modyfikacji rozwoju i funkcji życiowych części nie poddanej stresowi. (Należy dodać, że ostatnio w literaturze obok terminów anoksja i hipoksja spotyka się coraz częściej także termin normoksja na oznaczenie stanu pełnego natlenienia gleby, bądź systemu korzeniowego). Zaburzenia funkcjonowania rośliny w okresie trwania stresu i tuż po nim, mogą rzutować – poprzez zmianę architektury tj. przestrzennego rozmieszczenia całego systemu korzeniowego – także na wykorzystanie wody i składników pokarmowych w okresie późniejszym. Stąd też celem podjętej pracy jest zbadanie wpływu zlokalizowanego stresu tlenowego, działającego przez okres 7 dni na dynamikę rozwoju systemu korzeniowego i części nadziemnych, dwu odmian kukurydzy w okresie ich rozwoju wegetatywnego. Nowym elementem pracy jest zarówno podjęcie tego zagadnienia w układzie glebowym jak też zastosowanie oryginalnych rizotronów dwudzielnych, umożliwiających pionowy podział systemu korzeniowego.
eISSN:2300-6730
ISSN:1234-4125