Ingen vet riktigt vad växtrötter gör när de är hemma. Att gräva upp en växt exponerar rötterna, men förstör jordens naturliga tyg. Information går förlorad om det intakta naturliga arrangemanget av rötter och jord. Dito för att studera växternas rötter i krukor. Faktiskt, det finns ingen icke-invasiv fältmetod för att bestämma, i detalj, hur växtväxternas rotsystem förändras över tiden som svar på variationer i väder eller markens näringsämnen.

Det är därför den federala regeringen har påbörjat ett ambitiöst program för att avslöja rötters hemliga liv som inkluderar användning av magnetisk resonanstomografi (MRI) av levande växter i fält.

NIST-forskarna Karl Stupic och Joshua Biller spelar en nyckelroll, stöds av Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) under ett program som heter ROOTS, för Rhizosphere Observations Optimering av terrestrisk sekvestrering. Projektet, Magnetic Resonance Imaging for Root Growth leds av Texas A&M University med partners vid Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging i Boston, Massachusetts, och ABQMR, Inc., en Albuquerque, New Mexico, forsknings- och utvecklingsföretag specialiserat på magnetisk resonansteknologi.

"Nästan allt vi vet om växter är från grunden, " sa Stupic. "Vårt mål är att ge en bild av rötter i en intakt jordpelare, använder MRT med ett mycket lågt magnetfält, mindre än 100 millitesla, " eller 0,1 tesla. Tesla är enheten för magnetfältstyrka i SI, det internationella enhetssystemet.

Som jämförelse, mänskliga MRI-skannrar använder vanligtvis kraftfulla fält i intervallet 1,5 till 3 tesla. Den sortens skannrar kräver stora mängder infrastruktur och är inte bärbara, så teamet var tvungen att utveckla något som kunde svara på frågorna de hade på fältet.

"Vi vill ta reda på hur levande rötter i marken interagerar med den omgivande jorden, ", sa Biller. "Rootbilder är avgörande för att förstå hur växtförädling påverkar rotstrukturen, samt förstå funktionen av markattribut som innehåll av organiskt kol, och bestämma en arts tolerans mot torka, vind, översvämning och sjukdom."

Frågan är särskilt akut eftersom jordkvaliteten och nivåerna av matjord har minskat under det senaste århundradet, även när det moderna jordbruket ökar produktiviteten. Enligt ARPA-E:s programförklaring, "Om det lyckas, utvecklingar inom ROOTS-programmet kommer att producera grödor som kraftigt kommer att öka kolupptaget i marken, hjälper till att avlägsna koldioxid (CO ₂ ) från atmosfären, minska lustgas (N ₂ O) utsläpp, och förbättra jordbrukets produktivitet."

Rhizotroner och radar

Det finns flera mer konventionella metoder för att titta på rötter. Viss forskning använder sig av underjordiska tunnlar med glasfönster eller genomskinliga behållare som kallas rhizotroner. En nackdel med sådana metoder är att glasytan ger en föredragen väg för vattenflöde, potentiellt snedvrida rotbildningen. Markpenetrerande radar (GPR) har också använts för att detektera rotstrukturen. Högre mikrovågsfrekvenser ger högre upplösning, men de kan inte tränga in lika djupt. "Den fullständiga rotstrukturen hos grödor som sorghum, som är fokus för denna studie, kan sträcka sig upp till 1 meter under marken baserat på preliminära kärnprover från våra medarbetare på Texas A&M. Lågfälts-MR är ett första steg i att undersöka hela rotstrukturen, sa Biller.

Durra, en tålig och energirik kusin till majs, odlas i stor utsträckning för djurfoder och som råvara för biobränsleproduktion, bland annat användningsområde.

Vid MRI, ett föremål utsätts för ett magnetfält medan det skannas med radiofrekvent (RF) excitation. För ROOTS-programmet, planen är att distribuera ett litet MR-system - initialt 10 tum i diameter, men så småningom större – för att omsluta växtens stora rotmassa och registrera förändringar över tiden. Den initiala bildvolymen kommer att fånga rotstrukturer ner till 18 tum under markytan.

Men eftersom ingen har gjort detta tidigare, projektet kommer att kräva omfattande experiment och testning innan fältutplacering för att säkerställa att utrustningen producerar ett homogent magnetfält, verifiera att jorden inte värms upp i en sådan utsträckning att den skadar växten eller förvränger data, och svara på dussintals andra frågor.

För detta ändamål, NIST-teamet bygger en lågfältsskanner i en av sina Boulder, Colorado, laboratorier. Det kommer att vara en öppen design - cirka 1,8 meter (6 fot) lång, 1 meter (3 fot) bred, och 2,1 meter (7 fot) hög – baserat på ett system som nu används på Martinos Center for Biomedical Imaging. Centrets chef, Matthew Rosen, har omfattande expertis i att använda lågfälts- (6,5 millitesla) MRI för mänsklig avbildning.

Stupic och kollegor kommer att använda den nya enheten för att hitta de bästa sätten att avbilda rötter, och att tillhandahålla standardreferensprover och fantomer – syntetiska föremål som exakt efterliknar växtmaterial i skannern. Det kommer att säkerställa jämförbarhet av data och validera resultaten som snart kommer in från Texas A&M:s fältstudier med hjälp av in-ground scanners utvecklade av ABQMR, Inc.

"Vi kommer att utveckla referensdata från baslinjen, designa kalibreringsobjekt, och komma på realistiska 3D-växtfantomer, " sa Stupic.

Projektskanningssystemet förväntas vara fullt fungerande under sommaren 2018. "ARPA-E:s initiala mål är att bild 10, 000 plantor under en växtsäsong på mellan fem och sju månader, " sa Stupic. "Det betyder att vi måste skanna omkring 50 växter om dagen.

"Eftersom en del av vårt uppdrag är att få ut tekniken och användas på fältet, vi kommer också att engagera oss i att titta på sätt att krympa elektroniken och tillhörande hårdvara. Vi behöver något som du kan ta med på en liten lastbil, kanske använder en ATV för att springa bredvid växterna och ta data. Och vi måste göra allt detta inom några månader." NIST kommer att tillhandahålla regelbundna nyhetsuppdateringar allt eftersom projektet fortskrider.

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.