The role of self-assembling of root mucilage for the formation of spatiotemporal wettability pattern in the rhizosphere
根粘液自组装对根际时空润湿性模式形成的作用
基本信息
- 批准号:403668613
- 负责人:
- 金额:--
- 依托单位:
- 依托单位国家:德国
- 项目类别:Priority Programmes
- 财政年份:2018
- 资助国家:德国
- 起止时间:2017-12-31 至 2021-12-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
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.
根粘液是一种多糖水凝胶,干燥后可使土壤疏水,并缓冲根际极端的水力条件。到目前为止,很少有人知道这种缓冲行为如何依赖于化学和化学物理性质的粘液,以及这些属性如何响应不同的环境条件在根际s.In的SPP(主题4,水通量/干旱/粘液/疏水性)的框架,我们的目标是回答以下问题:化学水凝胶性能发挥的作用,为不同植物的根粘液的物理性质?物理性质如何影响它们的干燥行为和干燥粘液的空间格局?在干旱和再湿润过程中,这些空间格局对根际的水力特性有什么影响?我们的主要假设是密切相关的一般SPP假说1的一部分,假定在根际的自组织导致一个有效的水收购植物由于形成特定的时空模式。我们假设,粘液是一种自组装的水凝胶,由于其特定的化学结构,可能会响应于周围条件的变化,通过修改其超分子排列。超分子排列影响其物理性质,这反过来又决定了干燥过程中多糖的空间排列,并由此决定了随后再润湿过程中的水力性质。通过不同植物粘液的透析和溶胀实验,我们将研究环境条件的影响(pH、阳离子、表面活性物质)对水凝胶物理性质的影响,并将其与化学分析结果(单糖、键分析、总含量)相关联。宏观流变学、1H-NMR(用于水流动性)和差示扫描量热法(DSC,用于非冻结水)将与微观方法(如原子力显微镜(AFM))一起用于测定表面张力、粘度和弹性。这些AFM测量结果将作为输入参数纳入干燥过程中粘液的液体桥模拟中。因此,连续介质力学(描述多糖网络)的方法与格子玻尔兹曼方法(描述孔隙空间内的水流)相结合。此外,我们将实验和数值量化的微观干燥模式的粘液,其宏观润湿性(接触角)和宏观水力特性,如根际保水和滞后之间的关系。最后,我们的研究结果将通过原位1H-NMR测量在微型盆栽实验(SPP玉米)。耦合分子化学性质和纳米尺度的空间排列的粘液与宏观尺度的水力过程可能会显着提高我们的理解根际作为一个动态的自组织系统。
项目成果
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