MUCI-WETT-PATT

 

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SPP 2089: Rhizosphere Spatiotemporal Organisation - a Key to Rhizosphere Functions

Subproject P5:

The role of selfassembling of root mucilage for the formation of spatiotemporal wettability pattern in the rhizosphere

 

Summary

Root mucilage, a polysaccharide hydrogel, may render soil hydrophobic after drying and buffers extreme hydraulic conditions in the rhizosphere. Until now, little is known about how this buffering behavior depends on chemical and chemico-physical properties of mucilage and how these properties respond to different environmental conditions in the rhizosphere.

In the frame of the SPP (topic 4, water flux/drought/mucilage/hydrophobicity), we aim at answering the following questions: Which role do chemical hydrogel properties play for the physical properties of root mucilage of different plants? How do the physical properties influence their drying behavior and the resulting spatial patterns of dried mucilage? Which consequences do these spatial patterns have for hydraulic properties of the rhizosphere during drying and rewetting?

Our main hypothesis is strongly linked to the part of the general SPP hypothesis 1 that postulates that self-organization in the rhizosphere leads to an efficient water acquisition by plants due to the formation of specific spatiotemporal patterns. We hypothesize that mucilage is a self-assembled hydrogel which, due to its specific chemical structure, may respond to changes in the surrounding conditions by modifying its supramolecular arrangement. The supramolecular arrangement influences its physical properties which in turn determine the spatial arrangement of the polysaccharides during drying and by this also the hydraulic properties during the subsequent rewetting.

By a combination of dialysis and swelling experiments with mucilage of different plants we will study the effect of environmental conditions (pH, cations, surface active substances) on physical hydrogel properties and link it to the results of chemical analysis (monosaccharide, linkage analysis, total contents). Macroscopic rheology, 1H-NMR (for water mobility) and differential scanning calorimetry (DSC, for non-freezing water), will be employed together with microscale methods, such as atomic force microscopy (AFM), for the determination of surface tension, viscosity and elasticity. These AFM measurements will be included as input parameters into a simulation of liquid bridges of mucilage during drying. Therefore, methods from continuum mechanics (describing the network of polysaccharids) are coupled to Lattice Boltzmann methods (describing water flow within the pore space). Furthermore, we will experimentally and numerically quantify the relation between microscopical drying patterns of mucilage to its macroscopic wettability (contact angle) and to macroscopic hydraulic properties such as rhizosphere water retention and its hysteresis. Finally, our results will be tested by insitu 1H-NMR measurements in mini pot experiments (SPP maize).

Coupling molecular-chemical properties and nanoscale-spatial arrangement of mucilage with macroscale-hydraulic processes may significantly improve our understanding of the rhizosphere as a dynamic self-organized system.

Zusammenfassung

Mucilage, ein von Wurzeln ausgeschiedenes Hydrogel, hydrophobisiert den Boden beim Trocknen und puffert den Wasserhaushalt in der Rhizosphäre. Nahezu unbekannt ist bisher, welche chemischen und physikochemischen Eigenschaften der Hydrogele diese Wirkung verursachen und wie diese durch andere Parameter in der Rhizosphäre beeinflusst werden.

Im Rahmen des SPP (topic4: water flux/drought/mucilage/hydrophobicity) stellen wir folgende Fragen: Welche Bedeutung haben die chemischen Eigenschaften der Wurzelmucilage unterschiedlicher Pflanzen für deren physikalische Eigenschaften? Wie beeinflussen diese wiederum das Trocknungsverhalten und die daraus resultierende räumliche Anordnung von Mucilage? Und wie wirken sich diese räumlichen Muster auf die hydraulischen Eigenschaften während der Austrocknung und Wiederbefeuchtung der Rhizosphäre aus?

Unsere zentrale Hypothese ist eng mit dem Teil der Hypothese H1 des SPP verknüpft, der die Selbstorganisation in der Rhizosphäre durch Ausbildung spezifischer räumlich-zeitlicher Muster für eine effiziente Wassernutzung verantwortlich macht. Unsere Hypothese ist, dass Mucilage ein selbstorganisiertes physikalisches Hydrogel ist, das aufgrund chemischer Eigenschaften auf Änderungen in der Bodenlösung mit Änderungen in seiner supramolekularen Struktur reagieren kann. Diese Struktur beeinflusst wiederum physikalische Eigenschaften, die die zeitlich-räumliche Anordnung der Polysaccharide im Trocknungsverlauf und damit hydraulische Eigenschaften während der Wiederbefeuchtung bestimmen.

Durch eine Kombination aus Dialyse- und Quellungsexperimenten an Mucilage unterschiedlicher Pflanzen wird der Einfluss von Umgebungsfaktoren (pH, Kationen, oberflächenaktive Substanzen) auf physikalische Hydrogeleigenschaften untersucht und mit chemischen Eigenschaften (Monosaccharid-, Bindungs-, Gesamtgehaltanalyse) verknüpft. Dabei kommen neben makroskopischen Methoden wie der Rheologie, der 1H-NMR Relaxometrie (Wassermobilität) und der Differential Scanning Calorimetrie (DSC, nicht gefrierbares Wasser) auch mikroskopische Methoden, wie die Raster­kraft­elek­tro­nen­mi­kros­ko­pie (AFM) zur Bestimmung von Ober­flächen­spannung, Viskosität und Elastizität zum Einsatz. Diese AFM Messungen gehen dann in Modellierungen von „liquid bridges“ ein, bei denen mit Methoden aus der Kontinuumsmechanik das Mucilage-Netzwerk und mit Lattice Boltzmann Methoden das Wasser im Porenraum beschrieben wird. Weiterhin bestimmen wir die Auswirkung unterschiedlicher mikroskopischer Trockenmuster (AFM) von Mucilage auf makroskopische Benetzungseigenschaften (Kontaktwinkel) und durch Modellierung auf makroskopische Wasserretentionskurven. Insitu 1H-NMR Messungen in miniaturisierten Pot-Experimenten (SPP Mais) dient der Überprüfung unser Ergebnisse.

Die Verknüpfung molekular-chemischer Eigenschaften und nanoskalig-räumlicher Anordnung von Mucilage mit makroskopisch-hydraulischen Prozessen trägt wesentlich zum Verständnis der Selbstorganisationsprozesse in der Rhizosphäre bei.

Projektleitung / Project leaders

Dr. Dörte Diehl, Universität Koblenz-Landau

Prof. Dr. Gabriele E. Schaumann, Universität Koblenz-Landau

Jun. Prof. Eva Kröner

Mitarbeiter / Staff

Scientists

Mathilde Brax

Mina Ani

Jonas Bentz

Students

Akhil Daayam (Master thesis)

Sravana Laxmi Domakonda (Master thesis)

Daniel Serr (Bachelor thesis)

Johannes Wind (Projekt Umweltwissenschaften)

Niklas Lebkücher (Projekt Umweltwissenschaften)

Niklaus Dahlke (studentische Hilfskraft)

Publikationen MUCI-WETT-PATT

Abschlussarbeiten / Theses

2019

Malte Siebert: Die Rolle niedermolekularer Substanzen für die physikalischen Eigenschaften von Polysaccharid-Verbindungen aus Wurzel- und Samenmucilage unterschiedlicher Pflanzen. Masterarbeit. Prüfer: Dr. Dörte Diehl (iES Landau, Universität Koblenz-Landau), Prof. Dr. Sebastian Schmidtlein (ifgg, Karlsruher Institut für Technologie).

Tagungsbeiträge

2019

Mathilde Brax, Gabriele Ellen Schaumann, Dörte Diehl: "Influence of root mucilage gel properties on pore-scale processes in the rhizosphere" Oral presentation on the Rhizosphere 5 "Shining light on the world beneath our feet" in Saskatoon, Saskatchewan, Canada, 7 - 11 July 2019.

 

Mina Ani, Mathilde Brax, Dörte Diehl, Gabriele Ellen Schaumann: "Influence of nanoscale spatial architecture of seed and root mucilage on its wettability" Poster presentation on the 5th Biohydrology in Valencia, Spain, 24-27 July 2019.

Dörte Diehl, Mathilde Brax, Mina Ani, Malte Siebert, Gabriele Ellen Schaumann: "The role of root mucilage for the formation of spatial wettability patterns on mineral surfaces: 1. Effect of purification on physical properties of seed and root mucilage" Oral presentation on the 5th Biohydrology in Valencia, Spain, 24-27 July 2019. pdf

Mathilde Brax, Mina Ani, Gabriele Ellen Schaumann, Dörte Diehl: "Influence of structure-property relationships of several root and seed mucilages on their  contribution to soil microstructural stability" Oral presentation on the Annual meeting of the German Soil Science Society, Bern, Switzerland, 24-29 August 2019.

Malte Siebert, Mathilde Brax, Mina Ani, Gabriele E. Schaumann, Dörte Diehl: "The role of chemical composition in the physical behaviour of root and seed mucilage – Effect of dialysis and ethanol precipitation pre-treatment" Poster presentation on the Annual meeting of the German Soil Science Society, Bern, Switzerland, 24-29 August 2019.

J. Bentz, E. Kröner, R. A. Patel: "How heterogenous distributions of hydrophobicity affects the capillary rise in soil" Oral presentation on the Annual meeting of the German Soil Science Society, Bern, Switzerland, 24-29 August 2019.

Poster price of the Commission III on the Annual Meeting of the German Soil Science Society 2019 in Bern:

Mina Ani, Mathilde Brax, Dörte Diehl, Gabriele Ellen Schaumann: "Influence of nanoscale spatial architecture of seed and root mucilage on its wettability" Poster presentation on the Annual meeting of the German Soil Science Society, Bern, Switzerland, 24-29 August 2019.