MUCILAGE

 

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Mucilage: the hydraulic bridge between roots and soil

MUCILAGE
DFG: SCHA 849/20-1

 

Summary

Water is the source for plant growth. In times of climate change, water scarcity will endanger food production worldwide. One mitigation strategy for sustaining food production is to improve the capability of crops to capture water from soils. The central hypothesis of our project is that mucilage exuded by roots favors the water flow into roots and it increases plant drought tolerance. We hypothesize that mucilage alters the physicochemical properties of the rhizosphere, in particular its water holding capacity and hydraulic conductivity, and that these alterations affect the water flow across the rhizosphere. Thanks to its high water holding capacity, mucilage maintains the rhizosphere wet and helps roots to stay in hydraulic contact with soil during drought, improving the hydraulic conductivity of the root-soil interface. However, as mucilage dries, it becomes hydrophobic and it may reduce the local root uptake. It is not clear whether such temporary hydrophobicity is a problem for the acquisition of water or, on the contrary, it is a strategy of plants to not lose water when the soil becomes too dry. Furthermore, it is not known how such characteristics depend on plant species and soil types. Objective of our project is to understand the mechanistic role of mucilage for the regulation of water supply to plants. We structured the project in three sub-projects with the following tasks: 1) to measure the physiochemical properties of mucilage, and in particular the binding characteristics and mobility of water in mucilage; to this end we will employ1H-NMR-relaxometry, diffusometry and differential scanning calorimetry. 2) To measure the water retention curve and the hydraulic conductivity of soil-gel mixtures; to this end we will mix PGA-Ca (model for mucilage) and real mucilage (collected from different Fabaceae and Poaceae) with soils of different particle size distribution. In a first step, the gel will be homogeneously mixed with sand; then it will be added around artificial roots (suction cups) to mimic mucilage distribution in the rhizosphere. 3) To measure the effects of mucilage and rhizosphere on root water uptake. To this end a root pressure probe will be applied to single roots grown in soils. The measurements will be coupled with neutron radiography of water distribution in the rhizosphere. The experiments will be simulated with a numerical model of water flow into a single root including mucilage-rhizosphere dynamics. The three sub-projects are planned to stepwise link the processes at the supramolecular scale with the macroscopic soil hydraulic properties and root water uptake. The expected outcome of the project is the understanding of the role of mucilage on soil-plant water relations and its importance for improving plant drought tolerance.

Zusammenfassung

Wasser ist essenziell für das Wachstum von Pflanzen. Die im Zuge des globalen Klimawandels zunehmende Wasserknappheit bedroht die Nahrungsmittelproduktion. Je knapper Wasser wird, desto wichtiger wird die Fähigkeit der Pflanzen, auf den Bodenwasservorrat zugreifen zu können. Der von den Wurzeln ausgeschiedenen Mucilage wird hierbei eine wichtige Rolle zugeschrieben. Es sind jedoch weder die einzelnen Prozesse und Mechanismen noch deren Dynamik hinreichend bekannt. Welchen Einfluss Mucilage auf die Wasseraufnahme von Pflanzen hat und inwiefern sich zugrunde liegende Prozesse und Mechanismen zwischen Pflanzenarten oder Bodentypen unterscheiden ist noch zu klären.
Das Ziel dieses Projektes ist es, die Funktion der Mucilage bei der Regulation der Wasseraufnahme zu verstehen. Unsere zentrale Hypothese ist, dass Mucilage die Wasserversorgung der Pflanze auf zwei Arten optimiert: (1) indem sie bei mittleren Wassergehalten eine ‘hydraulische Brücke‘ zwischen Boden und Wurzel erhält (Brückenfunktion), und (2) indem sie bei starker Austrocknung die wasserleitende Verbindung durch eine vorübergehende Hydrophobisierung unterbricht (Schutzfunktion). Um diese Hypothesen zu überprüfen, verbinden wir Prozesse auf der supramolekularen Skala (Wassereinlagerung, Gelbildung, Selbstorganisationsprozesse) schrittweise mit den makroskopisch auftretenden hydraulischen Eigenschaften in Boden und Rhizosphäre (hydraulische Leitfähigkeit, Wasserverteilung) und mit der Wurzelwasseraufnahme in realen und Modellsystemen.

Wir untersuchen Mucilage (von verschiedenen Fabaceae und Poaceae) und Modell-Gele (insbesondere PGA-Ca) und deren Mischungen mit Boden in Abhängigkeit von Lösungszusammensetzung und Wassergehalt. Auf der supramolekularen Skala werden die Gele, und deren Mischungen mit Boden im Hinblick auf die Bindung und molekulare Mobilität von Wasser mittels 1H-NMR-Relaxometrie, Diffusometrie und Differenzial Scanning Kalorimetrie untersucht, sowie auf deren rheologischen Eigenschaften und Kontaktwinkel. Diese werden mit der hydraulischen Leitfähigkeit der Gele und Gemische in Zusammenhang gebracht. Zunächst werden Untersuchungen an homogenen Gemischen durchgeführt. In einem zweiten Schritt wird das Gel um eine Kunstwurzel herum platziert, um eine reale geometrische Verteilung von Mucilage in der Rhizosphäre zu simulieren. Die Wurzelwasseraufnahme wird mit einer Wurzeldrucksonde untersucht, die mit einzelnen, im Boden gewachsenen Wurzeln verbunden ist. Die Wurzeldrucksondenmessungen werden mit neutronenradiographischen Untersuchungen zur Wasserverteilung in der Rhizosphäre gekoppelt. Die Experimente werden mit einem numerischen Modell simuliert, welches die Dynamik des radialen Wasserflusses in eine Einzelwurzel unter dem Einfluss von Mucilage in der Rhizosphäre beschreibt. Mit diesem kombinierten Ansatz entsteht ein mechanistisches Verständnis zur Funktion der Mucilage für die Boden-Pflanze Interaktionen und ihrer Bedeutung für die Trockenresistenz von Pflanzen.

Projektleitung / Project leaders

Jun.-Prof. Dr. Andrea Carminati, University Göttingen (SP Water transport)

Prof. Dr. Gabriele E. Schaumann, University Koblenz-Landau (SP gel properties, wettability and NMR)

Prof. Dr. Doris Vetterlein, UFZ Halle (SP Root growth, rhizosphere)

Mitarbeiter / Staff

Mathilde Brax

Kooperationspartner

Dr. Henk van As

Elisabeth Jüschke

Dr. Dörte Diehl

Robin Kaltenbach

Publikationen MUCILAGE

mit peer-Review

2010

1. Jaeger, Fabian, Shchegolikhina, A., van As, Henk, Schaumann, Gabriele Ellen 2010. Proton NMR Relaxometry as a Useful Tool to Evaluate Swelling Processes in Peat Soils. The Open Magnetic Resonance Journal. 3 (open access): DOI: 10.2174/1874769801003010027. Download

Andere Publikationen