Plants imbibe the vital cocktail of water and mineral nutrients through their roots. This twisting organ not only provides purchase in the soil – the fine root hairs actually grow actively into soil zones where the fount of nutrients bubbles particularly richly. Plants take up minerals either directly from the soil solution or get them from clay minerals or humic substances. In the end, these microscopically small processes at the root hairs of plants also determine whether the world population goes hungry or has enough to eat. This connection explains the great scientific interest in these processes in the soil.
The mineral substances in the soil are usually present in the form of electrically charged ions. "The ions influence the electrical properties of the roots, which enables us to visualize the uptake of nutrients by roots in a new way", says Prof. Dr. Andreas Kemna, geophysicist at the University of Bonn. His team has now developed a new method: The scientists "x-ray" the root systems of the plants using electrical impedance tomography, which is also used as an imaging technique in medicine.
"Unlike doctors, however, we not only measure electrical conductivity, but also electrical polarizability, which is influenced by the uptake of nutrients at the plant root", explains Prof. Kemna. While conductivity describes the ability of a medium to transport electrical charges, polarizability is the ability to align local positive and negative charges using an electrical field – similar to a compass needle in a magnetic field.
Conclusions regarding nutrient uptake by the root system
The researchers are experimenting with the roots of living crops, which are embedded in a transparent Plexiglas box filled with a nutrient solution. The researchers apply an alternating electric field to this so-called rhizotron. The electrical polarization processes this produces vary with the uptake of ions by the roots. Numerous measurement sensors on the rhizotron record the polarization signals, which are transformed into tomographic images with the aid of special numerical algorithms.
By performing the electrical impedance tomography at different measurement frequencies, the researchers get frequency-dependent tomograms, which can be visualized in color as cloud-like forms on the computer screen. The individual fine roots can not be recognized. "However, the resolution is good enough to permit conclusions regarding the nutrient dynamics of the root system of a plant", says doctoral candidate Maximilian Weigand of Professor Kemna's team.
When the plant is particularly active, for instance due to a rich offering of nutrients, water, and light, then there are correspondingly great changes in the polarization signals at the roots – for instance in the daytime compared to nighttime. However, if there is a stress situation, such as drought or a dearth of nutrients, then the lack of nutrients also leads to a visible drop in polarizability. This can then be visualized and observed through the tomography.
"With this study, we have demonstrated the fundamental feasibility of the method", says Prof. Kemna. The next step is to use theoretical models to reproduce the electrical polarization processes in such measurements. In addition, the scientists also want to test their system out in the field, where there are still no suitable, non-destructive measurement methods to record the activity of root systems. Together with the Jülich Research Center, a test with winter wheat is underway in Selhausen in the context of the Transregional Collaborative Research Centre "Patterns in Soil-Vegetation-Atmosphere Systems – Monitoring, Modelling and Data Assimilation".
Prof. Kemna gives an example: "If we can optimize nutrient uptake, we will be able to anticipate and react better to the risks of drought due to climate change and possibly increase crop yields". The new method could be of valuable service in gaining a better fundamental understanding of the interactions between roots and soil.
Publication: M. Weigand and A. Kemna: Multi-frequency electrical impedance tomography as a non-invasive tool to characterise and monitor crop root systems, Biogeosciences, DOI: 10.5194/bg-2016-154, in review
Der Effekt ist gerade während der Urlaubszeit hinlänglich bekannt: Während man selbst durch Abwesenheit glänzt, vergessen die Kollegen im Büro die Blumen zu gießen und zu düngen – häufig bleibt dann nur noch ein bräunliches Gerippe übrig. Ob eine Pflanze gedeiht oder kümmert, hängt vor allem davon ab, ob ihre Wurzeln genügend Wasser und Nährstoffe aufnehmen können. Solche Prozesse haben Geophysiker der Universität Bonn nun erstmals direkt mit Hilfe der elektrischen Impedanz-Tomografie visualisiert. Die Forscher veröffentlichen ihre Ergebnisse nun im Fachjournal „Biogeosciences“.
Den lebenswichtigen Cocktail aus Wasser und Mineralstoffen flößen sich Pflanzen mit ihren Wurzeln ein. Dieses gewundene Organ gibt nicht nur Halt im Boden – die feinen Haarwurzeln wachsen sogar aktiv in Bodenzonen hinein, wo der Quell an Nährstoffen besonders reich sprudelt. Pflanzen entnehmen die Mineralstoffe entweder direkt aus der Bodenlösung oder holen sie sich von Tonmineralen oder Huminstoffen. Letztlich hängt auch von diesen mikroskopisch kleinen Vorgängen an den Haarwurzeln der Pflanzen ab, ob die Weltbevölkerung hungern muss oder genug zu essen hat. Dieser Zusammenhang erklärt das große wissenschaftliche Interesse an diesen Prozessen im Boden.
Die Mineralstoffe im Boden liegen meist in Form elektrisch geladener Ionen vor. „Die Ionen haben Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften der Wurzeln, was es uns ermöglicht, Wurzeln bei der Nährstoffaufnahme auf eine neuartige Art und Weise sichtbar zu machen“, sagt Prof. Dr. Andreas Kemna, Geophysiker an der Universität Bonn. Sein Team hat nun eine neue Methode entwickelt: Die Wissenschaftler „durchleuchten“ die Wurzelsysteme von Pflanzen mit Hilfe der elektrischen Impedanz-Tomografie, die auch als bildgebendes Verfahren in der Medizin angewendet wird.
„Doch anders als Ärzte messen wir nicht nur die elektrische Leitfähigkeit, sondern zusätzlich die durch die Nährstoffaufnahme an der Pflanzenwurzel beeinflusste elektrische Polarisierbarkeit“, erläutert Prof. Kemna. Während die Leitfähigkeit das Vermögen eines Mediums beschreibt, elektrische Ladungen zu transportieren, versteht man unter Polarisierbarkeit die Fähigkeit, lokal positive und negative Ladungen durch ein elektrisches Feld auszurichten – ähnlich wie sich Kompassnadeln in einem Magnetfeld einstellen.
Rückschlüsse auf die Nährstoffaufnahme des Wurzelsystems
Die Forscher experimentieren mit den Wurzeln lebender Nutzpflanzen, die in einer durchsichtigen, mit Nährlösung gefüllten Plexiglasbox eingebettet sind. An dieses sogenannte Rhizotron legen die Forscher ein elektrisches Wechselfeld an. Die hierdurch hervorgerufenen elektrischen Polarisationsprozesse variieren mit der Ionenaufnahme der Wurzeln. Zahlreiche Messsensoren am Rhizotron zeichnen die Polarisationssignale auf, die mit Hilfe von speziellen numerischen Algorithmen in tomographische Bilder umgewandelt werden.
Indem die Forscher die elektrische Impedanz-Tomografie bei unterschiedlichen Messfrequenzen durchführen, erhalten sie frequenzabhängige Tomogramme, die sich dann am Computerbildschirm in wolkenähnlichen Gebilden farbig darstellen. Die einzelnen Feinwurzeln sind dabei nicht zu erkennen. „Die Auflösung reicht jedoch aus, um Rückschlüsse auf die Nährstoffdynamik des Wurzelsystems einer Pflanze zu ziehen“, sagt der Doktorand Maximilian Weigand aus Prof. Kemnas Team.
Ist die Pflanze besonders aktiv, etwa durch ein reiches Angebot an Nährstoffen, Wasser und Licht, so zeigen sich entsprechend starke Änderungen der Polarisationssignale an den Wurzeln – zum Beispiel tagsüber im Vergleich zu nachts. Tritt jedoch eine Stresssituation ein, wie etwa Dürre oder Nährstoffarmut, so verschwindet mit dem Ausbleiben der Nährstoffaufnahme auch die Polarisierbarkeit zusehends. Dies lässt sich dann durch die Tomographie sichtbar machen und beobachten.
„Wir haben mit dieser Studie die prinzipielle Machbarkeit der Methode unter Beweis gestellt“, sagt Prof. Kemna. In den nächsten Schritten geht es nun darum, anhand von theoretischen Modellen die elektrischen Polarisationsprozesse bei solchen Messungen nachzuvollziehen. Außerdem wollen die Wissenschaftler ihr System auch draußen im Freiland testen, wo es bisher keine geeigneten, zerstörungsfreien Messverfahren zur Erfassung der Aktivität von Wurzelsystemen gibt. Zusammen mit dem Forschungszentrum Jülich läuft hierzu im Rahmen des Transregionalen Sonderforschungsbereichs „Patterns in Soil-Vegetation-Atmosphere Systems – Monitoring, Modelling and Data Assimilation“ am Versuchsstandort Selhausen ein Versuch mit Winterweizen.
„Wird die Nährstoffaufnahme optimiert, kann absehbar besser auf Dürrerisiken durch den Klimawandel reagiert und möglicherweise der Ertrag von Kulturpflanzen weiter gesteigert werden“, nennt Prof. Kemna ein Beispiel. Die neue Methode könne hierbei wertvolle Dienste leisten, um zu einem besseren grundlegenden Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Wurzeln und Boden zu kommen.
Publikation: M. Weigand and A. Kemna: Multi-frequency electrical impedance tomography as a non-invasive tool to characterise and monitor crop root systems, Biogeosciences, DOI: 10.5194/bg-2016-154, in review
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