Növényi stresszválasz kimutatása a gyökér in situ mért elektromos jellemzőivel  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »
 

Projekt adatai

  
azonosító
115714
típus K
Vezető kutató Rajkai Kálmán
magyar cím Növényi stresszválasz kimutatása a gyökér in situ mért elektromos jellemzőivel
Angol cím PLANT STRESS RESPONSE DETECTION BY IN SITU MEASURED ROOT ELECTRICAL PROPERTIES
magyar kulcsszavak elektromos kapacitás, elektromos impedancia,aktív gyökérfelület, vízhiány stress
angol kulcsszavak electric capacitance, electric impedance, active rott surface area, drought stress
megadott besorolás
Talajtan, talajbiológia, talajkémia, talajfizika (Komplex Környezettudományi Kollégium)100 %
Ortelius tudományág: Talajtudomány
zsűri Komplex agrártudomány
Kutatóhely Talajtani Intézet (HUN-REN Agrártudományi Kutatóközpont)
résztvevők Cseresnyés Imre
Füzy Anna
Imréné Dr. Takács Tünde
Kelemen Bettina
Kovács Ramóna
Kovács Ramóna
projekt kezdete 2016-01-01
projekt vége 2019-12-31
aktuális összeg (MFt) 22.852
FTE (kutatóév egyenérték) 7.69
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A talajba/termőközegbe helyezett talajelektród és a növény szárára rögzített növényelektród között váltakozó áramú LCR-mérőhíddal a gyökérmérettel arányos nagyságú elektromos kapacitás (EC) és impedancia (EI) mérhető. Az in situ eljárás jelentős előnye, hogy a növény károsítása nélkül nyerhető információ az abszorptív gyökérfelületről és a gyökéraktivitásról. A 40 éve bemutatott módszer széles körű alkalmazásáról szóló közlemények jelentek meg az utóbbi tíz évben. A módszer terepi, szabadföldi alkalmazását az ún. edafikus tényezők (pl. talajtulajdonságok, növényelektród elhelyezése) befolyásolják számottevően csökkentve a mért elektromos jellemzők megbízhatóságát. Korábbi vizsgálatainkban kimutattuk, hogy laboratóriumi tenyészedény-kísérletekben, e tényezők standardizálásával az EC/EI mérés megbízhatóan jelzi a gyökérméretet. Elsőként igazoltuk, hogy a gyökérfejlődést és -aktivitást gátló (herbicidkezelés) vagy fokozó (arbuszkuláris mikorrhiza (AM) gomba kolonizációja) környezeti tényezők hatása a gyökérre EC/EI méréssel nyomon követhető. Célunk annak a bemutatása, hogy a módszer egyéb, gyakran fellépő környezeti stresszhatások, - szárazság-, só- és nehézfém-stressz - gyökérfejlődésre és -működésre gyakorolt hatásának a kijelzésére is alkalmas. A kísérleteket AM gombával oltott és oltatlan növényeken is elvégezzük. Vizsgálataink várhatóan alátámasztják feltételezésünk, ami szerint az EC/EI mérés alkalmazhatósága a jelenleg ismertnél sokkal szélesebb körű, valamint használata az alap- és alkalmazott növénykutatások számos területén haszonnal járhat

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A tervezett kutatás alapkérdése, hogy az EC/EI mérés – megfelelő kísérleti körülmények beállításával – alkalmas-e különböző abiotikus sztesszhatások (szárazság-, só- és nehézfém-stressz) in situ kimutatására. Vizsgáljuk, hogy az EC- és EI-értékekben bekövetkező változások és különbségek hogyan függenek össze a növényfajta stressztűrő-képességével, a stressz erősségével és a biomassza-produkciós különbségekkel. Hangsúlyt fektetünk továbbá az AMgombák kolonizációjának és működésének detektálhatóságára. Az eltérő stressztűrésű növényfajták kísérleti körülmények között megnyilvánuló mikorrhiza-függését becsüljük továbbá a mért elektromos tulajdonságok (EC és EI) alapján. Emellett vizsgáljuk, hogy a kísérleti körülmények között a talaj vízállapota és sótartalma befolyásolja-e a mérési eredményeket. Válasz keresünk a mért elektromos talajjellemzőknek az eredmények megbízhatóságát növelő adatértékelési módjára. Megadjuk, hogy a kísérleti tapasztalatok és eredmények a mérési eljárás milyen további felhasználását teszik lehetővé az alap, de főként az alkalmazott kutatásokban. Összefoglaljuk az elektromos módszer előnyeit a hagyományos eljárásokhoz viszonyítva

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A hagyományos gyökérmérési módszerek destruktívak. Nagy idő-, munka- és eszközigényük miatt rendszerint nem teszik lehetővé nagyszámú növény monitorozását. Sok esetben a modern, in situ eljárások (pl. MRI) sem szolgáltatnak megfelelő információt a gyökérfelszín és gyökéraktivitás nagyságáról. Emiatt a gyökérrendszer méretének és működésének a becslésére használható in situ technikák alkalmazása és fejlesztése kiemelt jelentőségű. A gyökérvizsgálatok mellett a növényélettani kutatások széles skáláján is használható. A gyökér–talaj rendszer elektromos kapacitásának és impedanciájának mérése a gyökérfejlődés monitorozására is alkalmas gyors, nem-destruktív módszer. A mérési adatok megbízhatóságának növelése és az eljárás alkalmazási körének kiterjesztése a növényfiziológiai, ökofiziológiai és agrártudományi kutatások számára egyaránt fontos. A módszer bevezetése – az általánosan alkalmazott destruktív eljárásokat kiegészítve vagy részben helyettesítve – jelentős tudományos és gyakorlati haszonnal járhat. Az AMgombák funkcionális hatékonyságának becslésére is alkalmasnak bizonyuló technika a mikorrhiza-kutatásokban kiemelt jelentőségű, gyors tesztmódszer lehet. Az EC/EI mérés e gyakorlati alkalmazási formái nemzetközi érdeklődésre is számot tartanak, amit eddigi kutatásaink publikált eredményei jeleznek

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A talajba szúrt talajelektród (fémrúd) és a növény szárára rögzített növényelektród (fémcsipesz) között mérőműszerrel a növényi gyökérmérettel arányos nagyságú elektromos kapacitás (EC – töltéstároló képessség) és impedancia (EI – váltakozó áramú ellenállás) mérhető. Más eljárásokkal szemben a módszer gyors, egyszerű, és a növényt nem károsító, ún. in situ technika (helyben végezhető vizsgálat), mely a gyökér víz- és tápanyagfelvételi aktivitásáról is információt nyújt. Az eljárás hatékony alkalmazásához a mérési eredményeket jelentősen befolyásoló külső körülmények (pl. talaj víztartalma, a mérőáram frekvenciája) pontos beállítása szükséges. Tenyészedényekben nevelt növényeken folytatott korábbi vizsgálataink kimutatták, hogy e tényezők megfelelő és egységes megválasztásával a mérési hibák jórészt kiküszöbölhetők, így a mért EC és EI értékek megbízhatóan jelzik a gyökérméretet. Elsőként igazoltuk, hogy a haszonnövény gyökérfejlődését gátló gyomirtószeres kezelés hatása az EC vagy EI mérésével egyszerűen detektálható. További kutatásunk célja annak kísérletes igazolása, hogy a módszerrel egyéb, gyakran fellépő, és világszerte egyre jelentősebbé váló környezeti stresszek (pl. szárazság, a talaj nagy só- vagy nehézfém-tartalma) gyökérfejlődésre gyakorolt káros hatása is kimutatható. E vizsgálatokkal támasztanánk alá, hogy az eljárás alkalmazhatósága a jelenleginél sokkal szélesebb körű. A módszer a növénykutatásokban általánosan alkalmazott, munka- és költségigényes mérések helyettesítése révén közvetlen gyakorlati haszonnal járhat.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Between a ground and a plant electrode, embedded in the soil and fixed on the plant stem, respectively, electrical capacitance (EC) and impedance (EI) proportional to the root system size can be measured by using an LCR instrument operating with alternating current. This simple, in situ method provides an assessment about the absorptive root surface area and root activity without plant damaging. The 40-year-old technique has not become generally accepted till now. The probable reason is that edaphic factors (e.g. soil properties, plant electrode placement) and the applied current frequency have strong influence on electrical readings, resulting in a greatly reduced data authenticity. Our former pot experiments showed the suitability of EC/EI measurement to reliable estimation of root extension supposing the standardization of edaphic factors and usage of an effective current frequency. We first verified that the method could be adequate for in situ monitoring of the effect of environmental factors inhibiting (herbicide treatment) or facilitating (AMF arbuscular mycorrhizal fungi colonization) the root development and activity. This project is designed to prove experimentally that the growth-impeding effect of various abiotic stresses such as drought, soil salinity and heavy metal load can be detected by the EC/EI method on mycorrhizal and non-mycorrhizal plants. Our investigations are expected to confirm that the potential usability of the EC/EI method is more versatile than is known nowadays, thus its application must be clearly profitable in basic and applied plant researches

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The basic question of the planned research is whether the EC/EI method is adequate for in situ detection of the effect of various abiotic stress factors (e.g. drought, soil salinity or heavy metal load) on plant development under adjusted experimental conditions. It will be studied, how the changes and differences observed in root EC or EI values relate to (a) the degree of stress tolerance of the plant cultivar, (b) the stress intensity and (c) the differences appear in biomass production. Detectability of the AMF root colonization and function is planned to be study as well. On the basis of electrical properties (EC and EI) detected in situ we attempt to estimate the mycorrhizal dependency of the drought-tolerant and drought-sensitive crop cultivars subjected to different stress conditions. We investigate, whether the soil water status and salinity exert significant influence on measurement data under our experimental conditions, and in this case, how the soil properties should be considered during data evaluation in order to improve the authenticity of the results. In view of the experimental observations and results we make proposals to the potential application fields and manners of this promising in situ method in fundamental and chiefly in applied researches. Eventually, we intend to highlight the advantages of the EC/EI measurement over the various conventional techniques.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Due to the hidden character of plant root, the conventional root investigation methods are generally destructive, time-consuming and labor intensive, thus they are inherently unsuitable for continuous monitoring of numerous plants. In many cases, the non-destructive, in situ techniques (e.g. MRI) also produce uncertain or no data on root surface area or root activity. For this reason, the application and development of in situ techniques adapted for the estimation of root system size and function have great significance not only for root investigations but also in terms of various plant physiological researches. The electrical capacitance and electrical impedance measurement in plant–soil systems is an adequate method for the simple, rapid and non-destructive monitoring of root development. The improved reliability of the measurement data and the extension of the application scope of this process undeniably are of crucial importance for the diverse field of plant physiological, ecophysiological and agricultural researches. Having the ability of the introduced method to complete or partially substitute the intrusive, laboursome and expensive conventional techniques used worldwide, its establishment in these fields should be a source of considerable scientific and economic benefits. As the process proved to be adequate for the detection of AMF colonization and for the assessment of AMF functionality, it may become a fundamental test method in mycorrhizal investigations. Presented practical applications of the EC/EI method command international interest, indicating by some research articles about our previous findings published in reputed scientific journals.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Between a ground and a plant electrode represented by a metal rod inserted in the soil and a clamp fixed on the plant stem, respectively, electrical capacitance (EC – charge storage ability) and impedance (EI – resistance against alternating current) proportional to the root size can be detected by a measuring instrument. As opposed to other techniques, this simple and rapid method provides information even about root activity without damaging the plant. For the more effective applicability, the method need to be standardized for some circumstances (e.g. soil moisture content, current frequency) having strong effect on measurement data. Our experiments carried out by plant cultivation in pots verified that measurement errors could be mostly eliminated by the adequate and uniform adjustment of external factors. In this manner, the EC and EI readings can reliably indicate the root extension. We first verified that the growth-impeding effect of herbicide treatment could be simply detected by EC or EI measurement. Our further investigations is aimed to prove experimentally that the EC/EI method is suited for non-destructive monitoring of the negative effect of other environmental stresses (e.g. drought, soil salinity or toxic metal contamination) becoming more and more frequent worldwide. Present research is designed to prove that the usability of this method is more versatile than is known nowadays. Application of the technique can promote the various fields of plant investigation by substituting the laboursome, and expensive common methods, thus the adaptation of this procedure will increase our knowledge about plant electric properties and can be obviously profitable.




 

Zárójelentés

  
kutatási eredmények (magyarul)
A szárazság, sóstressz és nehézfém-szennyezés vizsgálatára beállított tenyészedényes kísérletek igazolták, hogy az intakt gyökérzet dielektromos tulajdonságainak (elektromos kapacitás, impedancia és vezetés) mérése eredményes módszer a növény stresszválaszának gyors és roncsolásmentes vizsgálatára. A mért elektromos jellemzőket összefüggésbe hoztuk a hagyományos módon mért növényélettani jellemzőkkel, így a fotoszintetikus aktivitással, a klorofill tartalommal, a sztómakonduktanciával, és gyökérmembrán stabilitásával. Az arbuszkuláris mikorrhiza gombák gyökéraktivitásra gyakorolt hatását tenyészedényben és szabadföldi kultúrában is kimutattuk. A komplex impedanciaválasz (ide értve a szóródási faktort) mérésével a kapacitásmérés megbízhatóságát növelő adatértékelési eljárást dolgoztunk ki. Kísérleti úton új módszert fejlesztettünk a talajnedvesség gyökérkapacitást befolyásoló hatásának megállapítására. A kifejlesztett módszerrel a kapacitás-mérést alkalmassá tettük a gyökérfejlődés terepen történő nyomon követésére. Az eljárást elsőként alkalmaztuk természetes gyepvegetáció kiválasztott fajainak a klímaváltozás (szimulált nyári aszály) hatására bekövetkező változása monitorozására. A projektmunka alátámasztotta, hogy a gyökérzet dielektromos vizsgálata alkalmazható a növényökológiai vizsgálatokban is. Különösen hasznos lehet olyan kutatásokban (stressztűrés vizsgálatok, gyökérszimbiózisok, növénynemesítés), ahol a növények, illetve a kísérleti terület nem bolygatható.
kutatási eredmények (angolul)
Pot experiments devoted to investigating the effect of drought, salinity and heavy metal contamination verified, that the measurement of dielectric properties (i.e. electrical capacitance, impedance and conductance) in intact root systems was an effective method for the rapid, nonintrusive evaluation of plant stress response. The detected electrical properties were integrated with the conventionally measured plant physiological characters, such as photosynthetic activity, leaf chlorophyll content, stomatal conductance and root membrane stability. The influence of arbuscular mycorrhizal fungi on root system activity was demonstrated both under pot and field conditions. Reliability of the capacitance measurement was improved with a novel data evaluation method using the complex impedance response, including dissipation factor. A new methodology was experimentally developed to evaluate the effect of soil water content on root capacitance, and therefore, to adapt the capacitance technique for monitoring root traits in the field. We first applied the method to study the effect of climate change (simulated summer drought) on selected species in a natural grassland. The project work convincingly demonstrated that dielectric characterization of the root system could be useful in plant ecology studies. The method is especially beneficial for studies (e.g. stress tolerance research, root symbiosis, crop breeding) in which plant or area disturbance should be avoided.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=115714
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

  
Cseresnyés, I., Kabos, S., Takács, T., Végh, R. K., Vozáry, E., Rajkai, K.: An improved formula for evaluating electrical capacitance using the dissipation factor, Plant and Soil 419: 237–256., 2017
Füzy, A., Kovács, R., Cseresnyés, I., Parádi, I., Szili-Kovács, T., Kelemen, B., Rajkai, K., Takács, T.: Selection of plant physiological parameters to detect stress effects in pot experiments using principal component analysis, Acta Physiologiae Plantarum 41(5): 56., 10 pp, 2019
7) Cseresnyés, I., Takács, T., Sepovics, B., Kovács, R., Füzy, A., Parádi, I., Rajkai, K.: Electrical characterization of the root system: a noninvasive approach to study plant stress responses, Acta Physiologiae Plantarum 41(10): 169., 11 pp., 2019
Cseresnyés, I., Vozáry, E., Kabos, S., Rajkai, K.: Influence of substrate type and properties on root electrical capacitance, International Agrophysics 1(34): 95-101., 2020
Cseresnyés I., Rajkai K., Takács T.: Szójafajták gyökérnövekedésének és szárazságtűrésének in situ vizsgálata elektromos kapacitás mérésével, Agrokémia és Talajtan 65(2): 243–257. doi:10.1556/0088.2016.65.2.5, 2016
Rajkai, K., Takács, T., Végh, R. K., Füzy, A., Cseresnyés, I.: Electrical capacitance measurement for monitoring root growth and activity in soil., In: C. Castilla et al. (szerk.) 4th Int. Con. on Biohydrology, Almería, Spanyolország, 2016.09.13-16., p. 121., 2016
Takács, T., Füzy, A., Kovács, R., Rajkai, K., Cseresnyés, I.: Multiple mutualist effects of root symbionts on soybean (Glycine max L. Merr.) cultivars under drought stress., Magyar Mikrobiológiai Társaság 2016. évi Nagygyűlése, Keszthely. p.41., 2016
Cseresnyés, I., Kabos, S., Takács, T., Végh, R. K., Vozáry, E., Rajkai, K.: An improved formula for evaluating electrical capacitance using the dissipation factor, Plant and Soil 419: 237–256., 2017
Cseresnyés, I., Rajkai, K., Füzy, A., Takács, T.: In situ monitoring of AMF functionality by the root capacitance method, Mühling, K. (ed.): 3rd International Conference on Plant Nutrition, Growth and Environment Interactions, Vienna, Austria, p. 32., 2017
Takács, T., Füzy, A., Kovács, R., Rajkai, K., Cseresnyés, I.: Multiple mutualist effects of root symbionts on soybean (Glycine max L. Merr.) cultivars under drought stress., Abstracts of the Annual Meeting of the Hungarian Society for Microbiology, Keszthely, Hungary. Acta Microbiologica et Immunologica Hungarica 64 (Suppl.): 85–86. doi:10.15, 2017
Takács, T., Rajkai, K., Füzy, A., Kovács, R., Parádi, I., Tischner, Zs., Cseresnyés, I: Measuring the effects of drought on root functions of wheat cultivars by electrical capacitance, In: Mühling, K. (ed.): 3rd International Conference on Plant Nutrition, Growth and Environment Interactions, Vienna, Austria, p. 33., 2017
Cseresnyés, I., Rajkai, K., Takács, T., Vozáry, E.: Electrical impedance phase angle as an indicator of plant root stress, Biosystems Engineering 169: 226–232., 2018
Cseresnyés, I., Szitár, K., Rajkai, K., Füzy, A., Mikó, P., Kovács, R., Takács, T.: Application of electrical capacitance method for prediction of plant root mass and activity in field-grown crops, Frontiers in Plant Science 9: 93, 11 pp., 2018
Cseresnyés I., Takács T., Kovács R., Füzy A., Rajkai K.: Szárazságstressz és mikorrhiza gombák búza gyökérnövekedésére gyakorolt hatásának monitorozása elektromos kapacitás mérésével, Agrokémia és Talajtan 67(2): 213–225., 2018
Takács, T., Cseresnyés, I., Kovács, R., Parádi, I., Kelemen, B., Szili-Kovács, T., Füzy, A.: Symbiotic effectivity of dual and tripartite associations on soybean (Glycine max L. Merr.) cultivars inoculated with Bradyrhizobium japonicum and AM fungi, Frontiers in Plant Science 9: 1631, 14 pp., 2018
Cseresnyés, I., Rajkai, K., Szitár, K., Füzy, A., Mikó, P., Kovács, R., Takács, T.: A smart method for monitoring root–rhizosphere activity in field-grown plants, Abstract Book for the Plant Biology Europe Conference, Copenhagen, Denmark, p. 191., 2018
Rajkai, K., Kabos, S., Vozáry, E., Cseresnyés, I.: Decreasing the scattering of root electrical capacitance., Abstacts of the General Assembly of European Geosciences Union, Vienna, Austria. Geophysical Research Abstracts 20: EGU2018-4470., 2018
Rajkai, K., Vozáry, E., Cseresnyés, I.: Indication of root stress using phase shift measurement., In: Sławiński, C., Zdunek, D. (eds.): 12th International Conference on Agrophysics, Lublin, Poland, p. 31., 2018
Rajkai K., Kelemen B., Cseresnyés I.: A talajkörnyezet indikációja a talajban gyökerező növényen mért elektromos jellemzőkkel., Bakacsi Zs., Kovács Zs., Koós S. (szerk.): Talajtani Vándorgyűlés: Talajhasználat – funkcióképesség, Pécs, p. 15–16., 2018
Takács, T., Cseresnyés, I., Kovács, R., Rajkai, K., Füzy, A.: Capability of electrical capacitance method to monitor the effects of symbiotic root associations on host plants., Abstract Book for the Plant Biology Europe Conference, Copenhagen, Denmark, p. 233., 2018
Cseresnyés, I., Takács, T., Kelemen, B., Füzy, A., Kovács, R., Parádi, I., Rajkai, K.: Electrical characterization of intact plant root systems: An innovative method for sensing soil environments, In: Creamer, R. (ed.): 4th Wageningen Soil Conference, Wageningen, The Netherlands, p. 13., 2019
Rajkai, K., Takács, T., Kelemen, B., Füzy, A., Kovács, R., Cseresnyés, I.: Simultaneous detection of soil water use and plant root activity, In: Creamer, R. (ed.): 4th Wageningen Soil Conference, Wageningen, The Netherlands, pp. 51–52., 2019




 

Projekt eseményei

  
2018-10-26 10:26:02
Résztvevők változása



vissza »