Niemand weet echt wat plantenwortels doen als ze thuis zijn. Het opgraven van een plant legt de wortels bloot, maar vernietigt het natuurlijke weefsel van de bodem. Er gaat informatie verloren over de intacte natuurlijke opstelling van de wortels en de bodem. Idem voor het bestuderen van de wortels van planten in potten. In feite, er is geen niet-invasieve veldmethode om te bepalen, in detail, hoe het wortelstelsel van gewassen in de loop van de tijd verandert als reactie op variaties in weer of bodemvoedingsstoffen.

Daarom is de federale overheid een ambitieus programma begonnen om het geheime leven van wortels te onthullen, inclusief het gebruik van magnetische resonantie beeldvorming (MRI) van levende planten in het veld.

NIST-wetenschappers Karl Stupic en Joshua Biller spelen een sleutelrol, ondersteund door het Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) in het kader van een programma genaamd ROOTS, voor rhizosfeer-observaties die terrestrische sekwestratie optimaliseren. Het project, Magnetic Resonance Imaging for Root Growth wordt geleid door Texas A&M University met partners van het Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging in Boston, Massachusetts, en ABQMR, Inc., een Albuquerque, New Mexico, onderzoeks- en ontwikkelingsbedrijf gespecialiseerd in magnetische resonantietechnologieën.

"Bijna alles wat we weten over planten is van de grond af aan, " zei Stupic. "Ons doel is om een ​​beeld te geven van wortels in een intacte grondkolom, met behulp van MRI met een zeer laag magnetisch veld, minder dan 100 millitesla, " of 0,1 tesla. De tesla is de eenheid van magnetische veldsterkte in de SI, het internationale systeem van eenheden.

Ter vergelijking, menselijke MRI-scanners gebruiken doorgaans krachtige velden in het bereik van 1,5 tot 3 tesla. Dergelijke scanners vereisen grote hoeveelheden infrastructuur en zijn niet draagbaar, dus moest het team iets ontwikkelen dat de vragen in het veld kon beantwoorden.

"We willen weten hoe levende wortels in de grond interageren met de omringende grond, "zei Biller. "Wortelbeelden zijn van vitaal belang om te begrijpen hoe gewasveredeling de wortelstructuur beïnvloedt, evenals het begrijpen van de functie van bodemkenmerken zoals het organische koolstofgehalte, en het bepalen van de tolerantie van een soort voor droogte, wind, overstroming en ziekte."

De kwestie is bijzonder urgent omdat de bodemkwaliteit en het niveau van de bovengrond de afgelopen eeuw zijn afgenomen, zelfs nu de moderne landbouw de productiviteit verhoogt. Volgens de programmaverklaring van ARPA-E, "Als het lukt, ontwikkelingen in het kader van het ROOTS-programma zullen gewassen opleveren die de koolstofopname in de bodem aanzienlijk zullen verhogen, helpt bij het verwijderen van kooldioxide (CO ₂ ) uit de atmosfeer, verlagen lachgas (N ₂ O) emissies, en de landbouwproductiviteit te verbeteren."

Rhizotrons en radar

Er zijn verschillende, meer conventionele methoden om naar wortels te kijken. Sommige onderzoeken maken gebruik van ondergrondse tunnels met glazen ramen of transparante containers die rhizotrons worden genoemd. Een nadeel van dergelijke methoden is dat het glasoppervlak een voorkeursroute biedt voor de waterstroom, mogelijk verstorende wortelvorming. Grondpenetrerende radar (GPR) is ook gebruikt om de wortelstructuur te detecteren. Hogere microgolffrequenties produceren een hogere resolutie, maar ze kunnen niet zo diep doordringen. "De volledige wortelstructuur van gewassen zoals sorghum, dat is de focus van deze studie, kan zich tot 1 meter onder de grond uitstrekken op basis van voorlopige kernmonsters van onze medewerkers bij Texas A&M. Low-field MRI is een eerste stap in het onderzoeken van de gehele wortelstructuur, ' zei Biller.

Sorghum, een winterharde en energierijke neef van maïs, wordt op grote schaal gekweekt voor veevoer en als grondstof voor de productie van biobrandstoffen, onder andere gebruik.

Bij MRI, een object wordt blootgesteld aan een magnetisch veld terwijl het wordt gescand met radiofrequentie-excitatie (RF). Voor het ROOTS-programma, het plan is om een ​​klein MRI-systeem in te zetten - aanvankelijk 10 inch in diameter, maar uiteindelijk groter - om de belangrijkste wortelmassa van de plant te omringen en veranderingen in de tijd vast te leggen. Het initiële beeldvolume legt wortelstructuren vast tot 18 inch onder het grondoppervlak.

Maar omdat niemand dit eerder heeft gedaan, het project vereist uitgebreide experimenten en tests voordat het in het veld wordt ingezet om ervoor te zorgen dat de apparatuur een homogeen magnetisch veld produceert, controleren of de grond niet zodanig wordt verwarmd dat het de plant schaadt of de gegevens vertekent, en beantwoord tientallen andere vragen.

Daartoe, het NIST-team bouwt een low-field scanner in een van zijn Boulder, Colorado, laboratoria. Het zal een open ontwerp zijn - ongeveer 1,8 meter lang, 1 meter (3 voet) breed, en 2,1 meter (7 voet) hoog - gebaseerd op een systeem dat nu in gebruik is bij het Martinos Center for Biomedical Imaging. De directeur van het centrum, Matthew Rosen, heeft uitgebreide expertise in het gebruik van low-field (6,5 millitesla) MRI voor menselijke beeldvorming.

Stupic en collega's zullen het nieuwe apparaat gebruiken om de beste manieren te vinden om wortels in beeld te brengen, en om standaard referentiemonsters en fantomen te leveren - synthetische objecten die plantaardig materiaal in de scanner nauwkeurig nabootsen. Dat zal de vergelijkbaarheid van gegevens garanderen en de resultaten valideren die binnenkort zullen binnenkomen van de veldstudies van Texas A&M met behulp van in-ground scanners ontwikkeld door ABQMR, Inc.

"We gaan basisreferentiegegevens ontwikkelen, ontwerp kalibratie objecten, en bedenk realistische 3D-plantenfantomen, ' zei Stupic.

Het projectscansysteem zal naar verwachting in de zomer van 2018 volledig functioneel zijn. "Het oorspronkelijke doel van ARPA-E is om 10, 000 planten in één groeiseizoen van vijf tot zeven maanden, "Zei Stupic. "Dat betekent dat we ongeveer 50 planten per dag moeten scannen.

"Omdat een deel van onze missie is om de technologie naar buiten te brengen en in het veld te gebruiken, we zullen ook betrokken worden bij het zoeken naar manieren om de elektronica en bijbehorende hardware te verkleinen. We hebben iets nodig dat je kunt meenemen op een kleine vrachtwagen, misschien een ATV gebruiken om langs de planten te rennen en gegevens te verzamelen. En we moeten dit allemaal binnen een paar maanden doen." NIST zal periodieke nieuwsupdates geven naarmate het project vordert.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.