Co-localised phosphorus mobilization processes in the rhizosphere of field-grown maize jointly contribute to plant nutrition

Resumo

Compreender a dinâmica do fósforo (P) na rizosfera é crucial para a produção agrícola sustentável. Os processos de mobilização de P na rizosfera incluem a liberação de prótons de origem vegetal e microbiana e fosfatases extracelulares. Investigamos o efeito dos pelos radiculares e da textura do solo na distribuição espacial e na intensidade dos processos de mobilização de P na rizosfera de Zea mays L., comparando um mutante defectivo para pelos radiculares (rth3) e o tipo selvagem (WT), cultivados em dois substratos (franco-argiloso e arenoso). Aplicamos métodos de imageamento químico 2D em janelas radiculares customizadas instaladas no campo para visualizar o pH do solo (optodos), a atividade de fosfatase ácida (zimografia) e os fluxos lábios de P e Mn (gradientes de difusão em filmes finos, DGT). A extensão média da rizosfera para a atividade de fosfatase e o pH foi maior no solo arenoso do que no franco-argiloso, enquanto a presença de pelos radiculares não teve impacto. A acidificação foi significativamente mais forte em tecidos radiculares jovens (<2 cm da coifa) do que em segmentos mais velhos (>4 cm da coifa) e mais forte no WT do que no rth3. Acompanhando a acidificação mais forte, um fluxo de P mais elevado foi observado principalmente ao redor de tecidos radiculares jovens e em crescimento ativo em ambos os genótipos. Nossos resultados indicam que a acidificação estava ligada ao crescimento radicular e criou um pH ótimo para a atividade da fosfatase ácida, ou seja, a mineralização de P orgânico, especialmente em tecidos radiculares jovens, que são os principais locais de absorção de P. Ambos os genótipos cresceram melhor no solo franco-argiloso do que no arenoso; no entanto, a presença de pelos radiculares geralmente resultou em maiores concentrações de P na parte aérea e maior biomassa da parte aérea do WT em comparação ao rth3. Concluímos que o substrato do solo teve um impacto maior na extensão e na intensidade dos processos de solubilização de P na rizosfera do milho do que a presença de pelos radiculares. Pela primeira vez, combinamos o imageamento 2D do pH do solo, da atividade de fosfatase e dos gradientes de nutrientes no campo e demonstramos uma nova abordagem de integração stepwise de dados, revelando a interação de vários processos de solubilização de P in situ.

Abstract

Understanding phosphorus (P) dynamics in the rhizosphere is crucial for sustainable crop production. P mobilization processes in the rhizosphere include the release of plant and microbially-derived protons and extracellular phosphatases. We investigated the effect of root hairs and soil texture on the spatial distribution and intensity of P mobilizing processes in the rhizosphere of Zea mays L. root-hair defective mutant (rth3) and wild-type (WT) grown in two substrates (loam, sand). We applied 2D-chemical imaging methods in custom-designed root windows installed in the field to visualize soil pH (optodes), acid phosphatase activity (zymography), and labile P and Mn fluxes (diffusive gradients in thin films, DGT). The average rhizosphere extent for phosphatase activity and pH was greater in sand than in loam, while the presence of root-hairs had no impact. Acidification was significantly stronger at young root tissue (<2 cm from root cap) than at older root segments (>4 cm from root cap) and stronger in WT than rth3. Accompanied with stronger acidification, higher P flux was observed mainly around young, actively growing root tissues for both genotypes. Our results indicate that acidification was linked to root growth and created a pH optimum for acid phosphatase activity, i.e., mineralization of organic P, especially at young root tissues which are major sites of P uptake. Both genotypes grew better in loam than in sand; however, the presence of root hairs generally resulted in higher shoot P concentrations and greater shoot biomass of WT compared to rth3. We conclude that soil substrate had a larger impact on the extent and intensity of P solubilization processes in the rhizosphere of maize than the presence of root hairs. For the first time, we combined 2D-imaging of soil pH, phosphatase activity, and nutrient gradients in the field and demonstrated a novel approach of stepwise data integration revealing the interplay of various P solubilizing processes in situ.