Investigation of arbuscular mycorrhizal status and functionality by electrical impedance and capacitance measurement

Applicability of electrical impedance (EI) and electrical capacitance (EC) measurement for the investigation of root colonization of mixed arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and functional diversity of separated AMF strains were studied in two pot experiments. In the first experiment, mycorrhizal and non-mycorrhizal maize cultivars were compared for testing the sensitivity of EI and EC measurement in relation to mycorrhizal status of host plants. In the second one, root colonization, biomass production, EI and EC of Rhizophagus intraradices or Funneliformis mosseae, inoculated and non-inoculated cucumber and bean hosts were monitored. The mycorrhizal plants showed lower EI and higher EC than control plants for each species. Since fungal colonization did not produce an increase in root surface area of maize, the higher root-soil interface showed by EI and EC values was undeniably due to the increased absorption surface area caused by the growth of AMF hyphae. As for cucumber and bean, the two selected AMF strains differed significantly in infectivity and effectivity, and the measured values also vary with host plants. Measuring EI and EC proved to be well applicable for in situ investigation of functional aspects of mycorrhizae

Influence of substrate type and properties on root electrical capacitance

Three pot experiments were performed on cucumber, maize, soybean and wheat plants to investigate the effects of various substrate types, namely pumice, arenosol and chernozem soil (Exp. 1), of substrate salinity (Exp. 2) and of soil water content (SWC; Exp. 3) on the electrical capacitance measured in root-soil systems. The data were evaluated according to the basic principle of the two-dielectric capacitor model. Statistical analysis indicated that the capacitance measured in root-soil systems was determined by the capacitance of the root system for each combination of plant species and substrate. Furthermore, the results showed that substrate impedance had a negligible influence on the capacitance measured in root-soil systems. Substrate salinity had no direct effect on capacitance measured in root-soil systems, but salt-induced physicochemical changes in plant tissues could have influenced its dielectric properties. Capacitance measured in rootsoil systems increased exponentially with soil water content (it ranged from 10 to 48 v/v %), indicating that the measured capacitance was more sensitive to variability in moisture content at high rather than at low water saturation levels. This is not consistent with the general consensus that the capacitance method is unreliable in dry soil and should be used at soil water content close to field capacity. The present results will contribute to the more effective application of the root capacitance technique

Szójafajták gyökérnövekedésének és szárazságtűrésének in situ vizsgálata elektromos kapacitás mérésével

Munkánk során tenyészedény-kísérlettel teszteltük az elektromos gyökérkapacitás (EC) mérés alkalmazhatóságát szójafajták gyökérnövekedésének és szárazságtűrésének in situ vizsgálata céljából. A kontroll és a szárazságstressznek kitett növények EC-jét rendszeresen mértük, végül biomasszájukat destruktív eljárással meghatároztuk. Az EC mérésével jól detektálható volt a fajták eltérő gyökérnövekedési dinamikája és biomassza-produkciója. Az EC — fajtától és kortól függő intenzitással — a virágzás kezdetéig folyamatosan emelkedett, majd közel állandóvá vált. A fajták EC-je és gyökértömege szoros korrelációt mutatott a kontroll (R2=0,844) és a szárazságkezelt (R2=0,936) növényeknél egyaránt. A vízhiány 28,8–50,5%-kal csökkentette az egyes fajták EC-jét, ami összhangban állt azok hajtástömegeinek 25,5–49,1%-os, és levélfelületeinek (transzspirációjának) 23,6–51,5%-os csökkenésével, ugyanakkor több fajtánál lényegesen meghaladta a gyökértömegben mutatkozó veszteséget (12,6–47,3%). Ennek oka, hogy a szárazság hatására nőtt a gyökér/hajtás arány (3,9–21,9%-kal), ezért csökkent az egységnyi gyökértömegre eső (fajlagos) vízfelvétel, így a fajlagos EC is. Mindezt alátámasztotta az EC-gyökértömeg regressziós egyenes meredekségének csökkenése (kontroll: 0,437 nF/g gyökér; szárazságkezelt: és 0,317 nF/g gyökér). Megállapítható, hogy az EC a teljes gyökérrendszer felvételi aktivitását jelzi, így — a gyökértömeggel szemben — funkcionális mutatója is a gyökérzet aktuális állapotának. Eredményeink alapján az EC mérése hatékony módszer a gyökérnövekedési dinamika fajtaspecifikus különbségeinek vizsgálatára, valamint a környezeti hatások okozta biomassza-veszteség becslésére. Az in situ eljárás a hagyományos technikák mellett az agrártudományi kutatások számos területén (pl. fajtaszelekció, stressztűrés-vizsgálatok) haszonnal járhat. | The study was aimed to test the applicability of root electrical capacitance (EC) measurement for the in situ investigation of the root growth and drought tolerance of soybean cultivars. Control and drought-stressed plants were cultivated in pots with repeated measurements of their root EC, followed terminally by destructive harvest. Root EC measurements clearly reflected the variability in the root growth characteristics and biomass production of different cultivars. An increase in EC, the intensity of which varied with cultivar and age, was observed until the beginning of flowering, after which it became nearly constant. The final EC was closely correlated with root mass for both control (R2=0.844) and stressed plants (R2=0.936). Drought reduced the EC of the cultivars by 28.8–50.5%, which was consistent with the corresponding changes in shoot mass (25.5–49.1%) and leaf area (23.6–51.5%), but considerably exceeded the loss of root mass (12.6–47.3%) in some cultivars. This could be attributed to the fact that drought increased the root/shoot ratio (by 3.9–21.9%), leading to a decrease in water uptake and thus in EC per unit of root mass. This was confirmed by the significant decrease in the slope of the EC–root mass regression line from 0.437 to 0.317 nF/g root in control and drought-stressed plants, respectively. As EC reflects the uptake activity of the whole root system, it was a better indicator of the actual root status than root mass. The results suggested that EC measurement was an adequate method for detecting cultivar-specific differences in root growth and for estimating the biomass loss caused by drought. As a supplementation of conventional methods, the new in situ technique could be useful in various fields of agriculture, including cultivar selection and stress tolerance studies

Root Electrical Capacitance Can Be a Promising Plant Phenotyping Parameter in Wheat

As root electrical capacitance (CR*) was assumed to depend on the stem properties, the efficiency of measuring CR* at flowering for whole-plant phenotyping was assessed in five wheat cultivars in three replicate plots over two years. Linear regression analysis was used to correlate CR* with plant-size parameters and flag-leaf traits (extension and SPAD chlorophyll content) at flowering, and with yield components at maturity. The plot-mean CR* was correlated with the plot leaf area index (LAI), the chlorophyll quantity (LAI×SPAD), and the grain yield across years. At plant scale, CR* was found to show the strongest positive regression with total chlorophyll in the flag leaf (flag leaf area × SPAD; R2: 0.65–0.74) and with grain mass (R2: 0.55–0.70) for each cultivar and year (p < 0.001). Likewise, at plot scale, the regression was strongest between CR* and the LAI×SPAD value (R2: 0.86–0.99; p < 0.01) for the cultivars. Consequently, CR* indicated the total plant nutrient and photosynthate supply at flowering, which depended on root uptake capacity, and strongly influenced the final yield. Our results suggested that the polarization of the active root membrane surfaces was the main contributor to CR*, and that the measurement could be suitable for evaluating root size and functional intensity. In conclusion, the capacitance method can be applied for nondestructive whole-plant phenotyping, with potential to estimate root and shoot traits linked to the nutrient supply, and to predict grain yield. CR* can be incorporated into allometric models of cereal development, contributing to optimal crop management and genetic improvement

Szárazságstressz és mikorrhiza gombák búza gyökérnövekedésére gyakorolt hatásának monitorozása elektromos kapacitás mérésével

Tenyészedény-kísérletben vizsgáltuk, hogy a szárazságstressz és az arbuszkuláris mikorrhiza gomba (AMF) oltás milyen változást okoz a búza gyökérnövekedésében, és ez hogyan követhető nyomon a gyökér–talaj rendszer elektromos kapacitásának (CR) in situ mérésével. A kísérletet randomizált blokk elrendezésben végeztük két búzafajtával (Mv. Hombár őszi és TC 33 tavaszi), kétféle öntözéssel (optimális és szárazságstressz) és kétféle oltással (oltatlan és AM-gombával oltott), 12 ismétlésben. A tenyészidőszakban monitoroztuk a CR-t, valamint mértük a sztómakonduktanciát és a levelek klorofilltartalmát (SPAD-értékben). A kísérlet végén TTC-teszttel vizsgáltuk a gyökerek életképességét, mikroszkópos vizsgálattal becsültük az AM gomba gyökérkolonizációját, valamint meghatároztuk a gyökér- és hajtástömeget. A vízhiány szignifikánsan (9–35%-kal) csökkentette a búzafajták gyökértömegét, mely a mért CR-értékekben is tükröződött. A szárazság okozta CRés biomassza-csökkenés jelentősebb volt a TC 33, mint az Mv. Hombár esetében. A CR monitorozásával kimutattuk a növények stressz utáni regenerációját és a fajták eltérő gyökérnövekedési dinamikáját. Az AMF oltás csökkentette a CR-t és a biomassza-produkciót (29–42%-kal), vélhetően az intenzív (84–87%-os) gyökérkolonizáció és a növénynevelés körülményei (erős szárazságstressz) következtében. Az oltás optimális öntözés mellett növelte a sztómakonduktanciát és a gyökér vitalitását. A vízhiány azonban csökkentette a gyökér életképességét. A klorofilltartalom leginkább a búzafajták között mutatott eltérést az Mv. Hombár nagyobb SPAD-értékével. A gyökértömeg és -kapacitás között szoros lineáris korrelációt (R2 = 0,792–0,865) találtunk. A TC 33 fajta regressziós egyenesének nagyobb meredeksége a nagyobb hajtástömegből eredő nagyobb fajlagos vízfelvételre vezethető vissza. Eredményeink alapján a CR-mérés alkalmas a gyökérnövekedési dinamika monitorozására és a környezeti hatások detektálására. A roncsolásmentes eljárás egyéb növénymorfológiai és -élettani vizsgálómódszerek hasznos kiegészítője lehet