Morphological responses of barley roots to soil compaction and modified supply of oxygen

Abstract

Biologinen stressi voidaan määritellä miksi tahansa ympäristötekijäksi, joka voi aiheuttaa eliöitä vaurioittavia kemiallisia ja fysikaalisia muutoksia niiden fysiologiassa. Maaperässä fysikaaliset ja kemialliset stressit voivat esimerkiksi muuttaa juurten kasvua ja morfologiaa, mikä voi heikentää kasvien veden ja ravinteiden ottoa sekä juurten hapensaantia. Viljelymaan tiivistyminen on yleinen ongelma Suomessa ja muualla olosuhteissa, joissa maa on kylvö- ja sadonkorjuuaikoina märkää. Tiivistyneen maan suurentunut mekaaninen vastus ja heikentynyt ilmavuus voivat rajoittaa juurten kasvua. Tässä tutkimuksessa kvantifioitiin maan tiivistämisen ja hapenpuutteen vaikutuksia kasvien juurten morfologisiin ominaisuuksiin kuva-analyysimenetelmällä. Muiden tutkimusten perusteella voitiin olettaa, että nämä stressit lisäävät endogeenisen etyleenin tuotantoa kasvissa. Siksi niiden odotettiin aiheuttavan sellaisia juurten morfologisia muutoksia, joita suurten etyleenipitoisuuksien tiedetään aiheuttavan, ja jotka osoittavat yhteytystuotteiden käytön tehokkuuden heikkenemistä juuriston rakentamisessa, kuten esimerkiksi ju urten ominaispituuden väheneminen. Tämä ajatus osoittautui vain osittain oikeaksi. Maan tiivistämisen ja hapenpuutteen aiheuttamia muutoksia juurissa tutkittiin astiakokeessa, jossa ohraa kasvatettiin hietamaassa. Pääosan ohran juurten morfologisista muutoksista aiheutti todennäköisesti maan mekaanisen vastuksen kasvu, esimerkiksi maan tiivistäminen lisäsi juurten paksuutta, ellei maa ollut märkä. Samoin hyvin ilmastetun (10-20 % O2 maan ilmassa), löyhän maan syvimmässä kerroksessa juuret olivat paksumpia ja ominaispituudeltaan lyhyempiä tai ominaistilavuudeltaan suurempia kuin pintakerroksessa, mikä epäilemättä johtui syvimmän kerroksen suuremmasta mekaanisesta vastuksesta. Löyhässä, kosteassa maassa (ilmahuokoisuus >12 %) hapenpuute (0-2 % O2 maan ilmassa) esti juurten kasvun mutta ei muuttanut juurten morfologiaa.

The morphological changes in barley roots in response to soil compaction and hypoxia were quantified by image analysis. Based on the assumption that these soil stresses increase endogenous ethylene production in plants, changes indicating higher construction costs for roots, such as decreased specific root length, were expected. The hypothesis was found to be only partly correct. Most morphological changes of barley roots were probably a reaction to increased soil mechanical impedance. Examples of this are root width, which was increased by compaction apart from in wet soil, as well as increased width and specific volume, and a decreased specific length of roots in the deepest layer of well-aerated loose soil. However, in loose moist soil hypoxia prevented root growth, but did not change root morphology. The results suggest that severe hypoxia lessens the possibilities of roots to adapt to the hypoxic soil by reducing root growth and by preventing the formation of aerenchyma.