Bonenplanten die secundaire wortelgroei onderdrukken ten gunste van het stimuleren van de primaire wortelgroei, foerageren een groter bodemvolume om fosfor op te nemen, volgens onderzoekers van Penn State, die zeggen dat hun recente bevindingen implicaties hebben voor plantenveredelaars en het verbeteren van de gewasproductiviteit in voedselarme bodems. De toename van de lengte van de wortel wordt primaire groei genoemd, terwijl secundaire groei de toename in dikte of omtrek van de wortel is. Omdat wortelgroei metabolische kosten voor de plant met zich meebrengt, bonenplanten die groeien in fosforarme bodems die langer uitstralen, dunnere wortels hebben een voordeel bij het verkennen van een groter volume grond en het verkrijgen van meer fosfor.

"Als een natuurlijke strategie voor planten om met fosforstress om te gaan, het is een winnaar, " zei hoofdonderzoeker Christopher Strock, een doctoraatsstudent plantenbiologie aan het College of Agricultural Sciences. "Dat is belangrijk omdat de meeste bodems over de hele wereld fosforarm zijn, en wortelkenmerken die de opname van fosfor verbeteren, kunnen niet alleen helpen om de efficiëntie van de opname van kunstmest voor boeren hier in de VS te verbeteren, maar ook voor boeren in ontwikkelingslanden die geen toegang hebben tot fosfaatmeststoffen."

Onderzoekers gebruikten de gewone boon als model voor dit onderzoek omdat het een van de meest fundamentele gewassen is die bijdragen aan voedselzekerheid, met een groter volume voor directe menselijke consumptie dan enige andere peulvrucht. Het is vooral belangrijk in de ontwikkelingslanden in Afrika bezuiden de Sahara en Midden- en Zuid-Amerika, waar mensen geen brede toegang hebben tot dierlijke eiwitten. In die regio's, bonen zijn een primaire bron van eiwitten en voeding. Ondanks het belang van dit gewas, opbrengsten in een groot deel van de wereld worden beperkt door bodems die zuur zijn en extreem arm aan fosfaat, een van de belangrijkste voedingsstoffen die planten nodig hebben om te groeien.

"Als we wortelkenmerken kunnen identificeren die de foerageerefficiëntie verbeteren, we kunnen nieuwe cultivars ontwikkelen die beter in staat zijn om fosfor op te nemen, en hebben verbeterde opbrengsten in deze omgevingen, ' zei Strok.

Bij het uitvoeren van de studie, die werd gepubliceerd in het nummer van deze maand van Plantenfysiologie , onderzoekers gebruikten computermodelleringstechnieken en kweekten recombinante, inteeltlijnen van gewone boon om te begrijpen hoe planten middelen toewijzen aan primaire en secundaire wortelgroei onder fosforstress. Planten werden gekweekt in beide kasomstandigheden - op de campus van Penn State University Park - en in geselecteerde velden van het Russell E. Larson Agricultural Research Center van de universiteit in Rock Springs.

Normaal gesproken, De bodems in Pennsylvania zouden te veel fosfor bevatten om veldexperimenten met fosforstress mogelijk te maken. maar Jonathan Lynch's onderzoeksgroep, universiteitshoogleraar plantenwetenschappen, ontwikkelde een techniek om experimentele plots te creëren die de fosforverarmde omstandigheden van tropische oxisolbodems in de Larson-faciliteit nabootsen. Dit werd bereikt door vrachtwagenladingen aluminiumoxidekorrels aan de velden toe te voegen, die fosfor in de bodem bindt, waardoor het niet beschikbaar is voor planten.

Ook uniek voor het Lynch-lab is het gebruik van laserablatietomografie om de wortelanatomie te snijden en te meten. Deze revolutionaire techniek, uitgevonden door het Lynch-lab, zorgt niet alleen voor meer precisie in observaties van wortelanatomie, maar biedt onderzoekers ook de mogelijkheid om snel honderden wortelmonsters per dag te bemonsteren - een taak die met traditionele methoden een onpraktische hoeveelheid arbeid en tijd zou vergen.

De door onderzoekers waargenomen verschillen in de groei van bonenplanten waren opvallend. Bij de fosforstressbehandeling de genotypen met een grotere vermindering van hun secundaire wortelgroei hadden een grotere wortellengte, nam meer fosfor op, en had grotere scheuten dan genotypen met een grotere secundaire wortelgroei. "Alle genotypen die we bekeken, onderdrukten hun secundaire wortelgroei onder fosforstress, maar sommigen vertoonden deze reactie veel sterker dan anderen, "zei Strock. "En degenen die hun secundaire groei het meest onderdrukten, presteerden beter onder fosforstress, omdat ze in staat waren om de middelen die ze zouden gebruiken in secundaire groei te gebruiken en de wortellengte te vergroten om meer fosfor te zoeken."

Lynch merkte op dat zijn onderzoeksgroep rechtstreeks samenwerkt met plantenveredelaars van het Amerikaanse ministerie van landbouw en landbouwcentra in Columbia, Honduras, Mozambique, Zambia en Malawi. Veredelaars nemen momenteel andere ontdekkingen uit zijn laboratorium op en brengen verschillende nieuwe bonenvariëteiten met verbeterde worteleigenschappen voor fosforverwerving uit aan boeren in Mozambique en Zambia.

"Ons doel in dit laboratorium is om eigenschappen zoals verminderde secundaire wortelgroei te identificeren die we kunnen doorgeven aan veredelaars, zodat ze deze kunnen opnemen in hun fokprogramma's, Lynch zei. "Door samen te werken met onze fokpartners, Er kunnen rassen van gewone boon worden ontwikkeld die een verminderde secundaire wortelgroei hebben en daardoor een betere opbrengst hebben op arme gronden, wat een enorm voordeel zal zijn voor kleine boeren, die afhankelijk zijn van bonen voor voedsel en inkomen."