Skillnader i bönväxttillväxt som observerades av forskare var slående. I behandlingen av fosforstress, genotyperna med större minskning av deras sekundära rottillväxt hade ökad rotlängd, tog upp mer fosfor, och hade större skott än genotyper med större sekundär rottillväxt, som hade tjockare, mindre effektiva rötter. Kredit:Jonathan Lynch Lab/Penn State
Bönväxter som undertrycker sekundär rottillväxt till förmån för att öka primär rottillväxt föda större jordvolym för att förvärva fosfor, enligt Penn State forskare, som säger att deras senaste fynd har konsekvenser för växtförädlare och förbättrar grödans produktivitet i näringsfattiga jordar. Ökningen av rotens längd kallas primär tillväxt, medan sekundär tillväxt är ökningen av rotens tjocklek eller omkrets. Eftersom rottillväxt ger en metabolisk kostnad för växten, bönväxter som växer i fosforfattiga jordar som skickar ut längre, tunnare rötter har en fördel i att utforska en större volym jord och få i sig mer fosfor.
"Som en naturlig strategi för växter att hantera fosforstress, det är en vinnare, " sa ledande forskare Christopher Strock, en doktorand i växtbiologi vid Högskolan för lantbruksvetenskap. "Det är viktigt eftersom de flesta jordar i hela världen har fosforbrist, och rotegenskaper som förbättrar fosforupptagningen kan inte bara bidra till att förbättra effektiviteten av gödselmedelsupptaget för bönder här i USA, men också gynna bönder i utvecklingsländer som inte har tillgång till fosfatgödselmedel."
Forskare använde den vanliga bönan som en modell för denna forskning eftersom det är en av de mest grundläggande grödorna som bidrar till livsmedelssäkerhet, med större volym för direkt konsumtion än någon annan baljväxt. Det är särskilt viktigt i hela utvecklingsvärlden i Afrika söder om Sahara och Central- och Sydamerika, där människor inte har bred tillgång till animaliskt protein. I dessa regioner, bönor är en primär källa till protein och näring. Trots betydelsen av denna gröda, skörden i stora delar av världen begränsas av jordar som är sura och extremt utarmade på fosfat, ett av de viktigaste näringsämnena som växter behöver för att växa.
Forskargruppsmedlemmar visas här gräva ut vanliga bönorväxtrötter under växthusexperimentet. Med hjälp av laserablationstomografi, de kunde sedan sektionera och mäta rotanatomi i hundratals prover. Kredit:Jonathan Lynch Lab/Penn State
"Om vi kan identifiera rotegenskaper som förbättrar födosökningseffektiviteten, vi kan utveckla nya sorter som har större förmåga att ta upp fosfor, och har förbättrat utbyte i dessa miljöer, " sa Strock.
Vid genomförandet av studien, som publicerades i månadens nummer av Växtfysiologi , forskare använde datormodelleringstekniker och växte rekombinant, inavlade linjer av vanliga bönor för att förstå hur växter allokerar resurser till primär och sekundär rottillväxt under fosforstress. Växter odlades i både växthusförhållanden - vid Penn State University Park campus - och i utvalda fält vid universitetets Russell E. Larson Agricultural Research Center i Rock Springs.
I vanliga fall, Pennsylvanias jordar skulle innehålla för mycket fosfor för att möjliggöra fältexperiment på fosforstress, men University Distinguished Professor of Plant Science Jonathan Lynchs forskargrupp utvecklade en teknik för att skapa experimentella tomter som replikerar de fosforutarmade förhållandena i tropiska oxisoljordar vid Larson-anläggningen. Detta åstadkoms genom att lägga till lastbilslaster med aluminiumoxidpellets till fälten, som binder fosfor i jorden, gör den otillgänglig för växter.
I vanliga fall, Pennsylvania jordar skulle innehålla för mycket fosfor för att möjliggöra fältexperiment på fosforstress. Men Lynchs forskargrupp har utvecklat en teknik för att skapa experimentella tomter som replikerar de fosforutarmade förhållandena i tropiska oxisoljordar vid universitetets Russell E. Larson Agricultural Research Center i Rock Springs. Kredit:Jonathan Lynch Lab/Penn State
Också unikt för Lynch-labbet är dess användning av laserablationstomografi för att snitta och mäta rotanatomi. Denna revolutionerande teknik, uppfanns av Lynch-labbet, möjliggör inte bara större precision i observationer av rotanatomi, men ger också forskare möjligheten att snabbt ta hundratals rotprover per dag - en uppgift som skulle kräva en opraktisk mängd arbete och tid med traditionella metoder.
Skillnader i bönväxttillväxt som observerades av forskare var slående. I behandlingen av fosforstress, genotyperna med större minskning av deras sekundära rottillväxt hade ökad rotlängd, tog upp mer fosfor, och hade större skott än genotyper med större sekundär rottillväxt. "Alla genotyper vi tittade på undertryckte deras sekundära rottillväxt under fosforstress, men vissa visade detta svar mycket starkare än andra, " sa Strock. "Och de som undertryckte sin sekundära tillväxt mest, presterade bättre under fosforstress eftersom de kunde ta de resurser de skulle lägga på sekundär tillväxt och öka rotlängden för att leta efter mer fosfor."
Lynch noterade att hans forskargrupp samarbetar direkt med växtförädlare vid U.S.A. Department of Agriculture och jordbrukscentra i Columbia, Honduras, Moçambique, Zambia och Malawi. Uppfödare införlivar för närvarande andra upptäckter från hans labb och släpper flera nya sorter av bönor med förbättrade rotegenskaper för fosforinsamling till bönder i Moçambique och Zambia.
"Vårt mål i det här labbet är att identifiera egenskaper som minskad sekundär rottillväxt som vi kan förmedla till uppfödare så att de kan införliva dem i sina avelsprogram, " sa Lynch. "Vi jobbar med våra avelspartners, sorter av vanliga bönor kan utvecklas som har minskat sekundär rottillväxt och därför bättre skörd i magra jordar, vilket kommer att vara en stor fördel för småbrukare, som är beroende av bönor för mat och inkomst."
