Die Rhizosphäre ist das kleine Bodenvolumen um die Wurzeln herum. Dort finden komplexe Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Organismen statt, die eng mit der Wurzel verbunden sind.
In der Rhizosphäre setzen Wurzeln Verbindungen wie wasserlösliche Exsudate und Schleime, unlösliche Materialien und Enzyme sowie tote Wurzelzellen frei. Dieser als Rhizodeposition bezeichnete Prozess beeinflusst die Fähigkeit der Pflanzenwurzeln, Wasser und Nährstoffe aus dem Boden zu extrahieren.
Wie bei den meisten Bodenprozessen ist es schwierig, die räumlich-zeitlichen Verteilungsmuster von Rhizoablagerungen um ein Wurzelsystem herum direkt zu messen.
Magdalena Landl vom Forschungszentrum Jülich ist Teil eines Forscherteams, das entwickelt hat ein neuartiger Modellansatz zur Berechnung der raumzeitlichen Verteilungsmuster von Rhizoablagerungen um wachsende Wurzelsysteme. Die Autoren erstellten ein Rhizodepositionsmodell und koppelten es mit der vorhandenes 3D-Root-Architekturmodell CPlantBox.
Laut dem kürzlich veröffentlichten Papier von in silico Das Pflanzen-Rhizodepositionsmodell beinhaltete Faktoren, die die Ausbreitung von Rhizodepositen im Boden kontrollieren, wie z.
„Die Integration der 3D-Modellierung war wichtig, da wir ermitteln wollten, ob und wo Flecken mit hoher Rhizoablagerungskonzentration um ein komplexes 3D-Wurzelsystem herum auftreten. Diese Hotspots beeinflussen maßgeblich die Prozesse in der Rhizosphäre“, sagt Landl.
Anschließend führten sie Simulationen für die beiden Rhizoablagerungen Schleim und Citrat für Ackerbohne (Vicia faba), um den Einfluss einer komplexen Wurzelarchitektur auf die räumlich-zeitlichen Verteilungsmuster der Rhizoablagerungen zu bewerten.
Die Autoren bestätigten zunächst, dass das Modell die Verteilung und Konzentration von Citrat und Schleim in der Rhizosphäre im Vergleich zu publizierten Messwerten genau bestimmen konnte. Die Modellausgabe ermöglichte es ihnen, die Auswirkungen von Wurzelarchitekturmerkmalen wie Wurzelwachstumsrate und Verzweigungsdichte auf Rhizoablagerungen zu bewerten. Anschließend analysierten sie Hotspots.
Die Analyse zeigte, dass die Verzweigung dazu führte, dass sich die Rhizosphären einzelner Wurzeln überlappten, was zu einer Zunahme des Volumens der Hotspot-Zonen der Rhizoablagerung führte. Die Hotspot-Volumen um die Wurzeln herum waren bei mittleren Wurzelwachstumsraten maximal. Durch die Wurzelverzweigung konnten sich die Rhizosphären einzelner Wurzeln überlappen, was zu einer Zunahme des Volumens der Hotspot-Zonen der Rhizoablagerung führte.
Entfernungskarten zeigten, dass das Bodenvolumen in der Nähe eines Hotspots über den simulierten Zeitraum von 20 Tagen weiter zunahm. Die Analyse der Hotspot-Dauer zeigte, dass lang anhaltende Rhizodepositions-Hotspots hauptsächlich in dem Teil des Wurzelsystems auftraten, in dem Verzweigungen auftreten und wo daher überlappende Rhizodepositionszonen häufiger vorkommen.
Laut Landl „erlaubte uns dieses Modell, die Auswirkungen von Merkmalen der Wurzelarchitektur wie Wurzelwachstumsrate und Verzweigungsdichte auf die Entwicklung von Rhizodeposit-Hotspot-Zonen zu bewerten. In Zukunft planen wir, unser Modell in ein 3D-Mehrkomponenten-Wurzel- und Stofftransportmodell zu integrieren, um den Wasser- und Nährstofftransport im Boden einzubeziehen. Diese Faktoren wirken sich stark auf Rhizoablagerungen aus.“
FORSCHUNGSARTIKEL:
Landl, M., Haupenthal, A., Leitner, D., Kroener, E., Vetterlein, D., Bol, R., Vereecken, H., Vanderborght, J. & Schnepf, A. (2021). Simulation von Rhizodepositionsmustern rund um wachsende und austretende Wurzelsysteme. In in silico Plants. Oxford University Press (OUP). https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diab028
Dieses Manuskript ist Teil von in silico Plant's Funktionelles strukturelles Anlagenmodell Sonderausgabe.
