Røddernes hemmelige liv:Se afgrøder vokse under overfladen med bærbar MR

Ingen ved rigtigt, hvad planterødder gør, når de er hjemme. Når man graver en plante, afsløres rødderne, men ødelægger jordens naturlige stof. Information går tabt om det intakte naturlige arrangement af rødder og jord. Ditto til at studere rødderne af planter i krukker. Faktisk, der er ingen ikke -invasiv feltmetode til at bestemme, i detaljer, hvordan afgrødernes rodsystemer ændrer sig over tid som reaktion på variationer i vejret eller jordens næringsstoffer.

Derfor har den føderale regering indledt et ambitiøst program for at afsløre røddernes hemmelige liv, der inkluderer brug af magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) af levende planter i marken.

NIST -forskerne Karl Stupic og Joshua Biller spiller en nøglerolle, støttet af Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) under et program kaldet ROOTS, til Rhizosfæreobservationer Optimering af terrestrisk sekvestrering. Projektet, Magnetic Resonance Imaging for Root Growth ledes af Texas A&M University med partnere på Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging i Boston, Massachusetts, og ABQMR, Inc., en Albuquerque, Ny mexico, forsknings- og udviklingsfirma med speciale i magnetiske resonansteknologier.

"Næsten alt, hvad vi ved om planter, er fra bunden, "sagde Stupic." Vores mål er at give et billede af rødder i en intakt jordsøjle, ved hjælp af MR med et meget lavt magnetfelt, mindre end 100 millitesla, "eller 0,1 tesla. Tesla er enheden for magnetfeltstyrke i SI, det internationale enhedssystem.

Til sammenligning, menneskelige MR -scannere anvender typisk kraftfulde felter i området 1,5 til 3 tesla. Den slags scannere kræver store mængder infrastruktur og er ikke bærbare, så teamet skulle udvikle noget, der kunne besvare de spørgsmål, de havde i feltet.

"Vi vil finde ud af, hvordan levende rødder i jorden interagerer med den omgivende jord, "sagde Biller." Rodbilleder er afgørende for at forstå, hvordan avlsavl påvirker rodstrukturen, samt forståelse af jordens egenskaber såsom organisk kulstofindhold, og bestemmelse af en arts tolerance over for tørke, vind, oversvømmelse og sygdom. "

Spørgsmålet er særligt presserende, fordi jordkvaliteten og jordbunden er faldet i løbet af det sidste århundrede, selvom det moderne landbrug øger produktiviteten. Ifølge ARPA-E's programerklæring, "Hvis det lykkes, udviklingen under ROOTS -programmet vil producere afgrøder, der i høj grad vil øge kulstofoptagelsen i jorden, hjælper med at fjerne kuldioxid (CO ₂ ) fra atmosfæren, reducere lattergas (N ₂ O) emissioner, og forbedre landbrugets produktivitet. "

Rhizotroner og radar

Der er flere mere konventionelle metoder til at kigge ind på rødder. Nogle undersøgelser anvender underjordiske tunneler med glas eller transparente beholdere kaldet rhizotroner. En ulempe ved sådanne metoder er, at glasarealet giver en foretrukken rute for vandgennemstrømning, muligvis forvrænger roddannelse. Jordgennemtrængende radar (GPR) er også blevet brugt til at detektere rodstrukturen. Højere mikrobølgefrekvenser giver højere opløsning, men de kan ikke trænge så dybt ned. "Den fulde rodstruktur af afgrøder som sorghum, som er fokus for denne undersøgelse, kan strække sig op til 1 meter under jorden baseret på foreløbige kerneprøver fra vores samarbejdspartnere hos Texas A&M. Lavfelt-MR er et første skridt i undersøgelsen af ​​hele rodstrukturen, "sagde Biller.

Sorghum, en hårdfør og energirig fætter til majs, dyrkes bredt til husdyrfoder og som råstof til produktion af biobrændstoffer, blandt andre anvendelser.

Ved MR, et objekt udsættes for et magnetfelt, mens det scannes med radiofrekvens (RF) excitation. For ROOTS -programmet, planen er at implementere et lille MR -system - oprindeligt 10 tommer i diameter, men til sidst større - for at omslutte plantens store rodmasse og registrere ændringer over tid. Det indledende billeddannelsesvolumen vil fange rodstrukturer ned til 18 tommer under overfladen af ​​jorden.

Men fordi ingen har gjort dette før, projektet vil kræve omfattende eksperimentering og afprøvning inden indsættelse af marken for at sikre, at udstyret producerer et homogent magnetfelt, kontrollere, at jorden ikke opvarmes i et omfang, så det skader planten eller skæver dataene og besvare snesevis af andre spørgsmål.

Til det formål, NIST-teamet bygger en lavfeltscanner i en af ​​dets Boulder, Colorado, laboratorier. Det vil være et åbent design - cirka 1,8 meter (6 fod) langt, 1 meter (3 fod) bred, og 2,1 meter (7 fod) høj - baseret på et system, der nu er i brug i Martinos Center for Biomedical Imaging. Centerets direktør, Matthew Rosen, har omfattende ekspertise i brug af lavfelt (6,5 millitesla) MR til menneskelig billeddannelse.

Stupic og kolleger vil bruge den nye enhed til at finde de bedste måder til billedrødder, og at levere standardreferenceprøver og fantomer - syntetiske objekter, der nøjagtigt efterligner plantemateriale i scanneren. Det vil sikre sammenlignelighed af data og validere de resultater, der snart kommer fra Texas A &M's feltundersøgelser ved hjælp af jordbaserede scannere udviklet af ABQMR, Inc.

"Vi kommer til at udvikle baseline referencedata, designe kalibreringsobjekter, og komme med realistiske 3D -plantefantomer, "Sagde Stupic.

Projektscanningssystemet forventes at være fuldt funktionsdygtigt i løbet af sommeren 2018. "ARPA-E's oprindelige mål er at billede 10, 000 planter i en vækstsæson på mellem fem og syv måneder, "Stupic sagde." Det betyder, at vi skal scanne omkring 50 planter om dagen.

"Fordi en del af vores mission er at få teknologien ud og brugt i feltet, vi vil også blive involveret i at se på måder at skrumpe elektronikken og tilhørende hardware på. Vi skal bruge noget, som du kan tage med på en lille lastbil, måske bruge en ATV til at køre sammen med planterne og tage data. Og vi er nødt til at gøre alt dette i løbet af få måneder. "NIST vil levere periodiske nyhedsopdateringer, efterhånden som projektet skrider frem.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.