Une subvention du DOE finance le développement d’une nouvelle technologie d’imagerie pour étudier les racines et le sol
Shiva Abbaszadeh, professeure adjointe d’ingénierie électrique et informatique à l’UC Santa Cruz, a reçu une subvention importante du Département de l’énergie (DOE) fournissant près de 2 millions de dollars sur trois ans pour développer une nouvelle technologie d’imagerie pour étudier les interactions complexes entre les racines des plantes et les sols .
Le projet développera un système qui utilise les modalités d’imagerie médicale de la tomographie par émission de positons (TEP) et de la tomodensitométrie (CT), et les optimise pour l’imagerie des plantes vivantes et de la zone autour des racines des plantes connue sous le nom de rhizosphère. Les activités dans la rhizosphère influencent de nombreux processus importants à plusieurs échelles dans le système terrestre, y compris le cycle global du carbone. Cependant, l’étude de la rhizosphère a toujours été un défi.
Le laboratoire d’instrumentation radiologique d’Abbaszadeh à la Baskin School of Engineering de l’UCSC se concentre sur le développement de nouvelles technologies d’imagerie et de détection, principalement pour des applications biomédicales. Ses collaborateurs sur le nouveau projet comprennent l’écologiste des sols Weixin Cheng, professeur et président des études environnementales à l’UCSC, et les radiologues de l’Université de Stanford Adam Wang et Craig Levin.
Abbaszadeh a déclaré qu’elle avait parlé à Cheng après avoir vu un appel à propositions du DOE pour développer de meilleures techniques d’imagerie pour étudier les plantes. « Il m’a dit qu’ils avaient vraiment besoin de ce type d’outil d’imagerie pour la rhizosphère », a-t-elle déclaré. « C’est un projet passionnant, qui applique les nouvelles technologies d’imagerie pour répondre à des questions très intéressantes. »
Cheng étudie l’écologie de la rhizosphère et son rôle dans les cycles du carbone et de l’azote. Il a déclaré que le rôle de la rhizosphère est une pièce manquante cruciale pour comprendre le cycle du carbone entre l’atmosphère, où le dioxyde de carbone contribue au réchauffement climatique, et les écosystèmes terrestres, où de grandes quantités de carbone sont stockées dans la matière organique du sol.
« La rhizosphère est vraiment un endroit mystérieux en écologie », a déclaré Cheng. « Tant de choses sont inconnues là-bas parce que c’est si difficile à étudier. Le sol est opaque, nous ne pouvons donc pas faire ce que nous faisons facilement en surface, et si vous creusez et dérangez le système, vous n’observez rien de réaliste.
Abbaszadeh prévoit de combiner les nouveaux détecteurs de rayonnement de son laboratoire et d’autres technologies de pointe pour permettre un système PET/CT à faible coût pour l’imagerie des plantes et des sols. En imagerie médicale, la TEP/TDM combine l’excellente imagerie anatomique des tomodensitogrammes avec la capacité de la TEP à retracer l’activité métabolique dans le corps à l’aide de petites quantités de matières radioactives appelées radiotraceurs.
Pour l’imagerie des plantes, les chercheurs utiliseront le carbone-11, un radio-isotope à courte durée de vie du carbone, pour tracer le carbone qui est absorbé par les plantes sous forme de dioxyde de carbone, incorporé dans les glucides lors de la photosynthèse et transporté dans les racines. Une partie de ce carbone pénètre dans le sol dans les exsudats racinaires, où il peut être métabolisé par les microbes du sol ou stabilisé par les particules du sol.
« Nous savons que l’activité biologique dans la rhizosphère se produit dans des points chauds très dynamiques », a déclaré Cheng. « Nous voulons pouvoir retracer cette constellation changeante de points chauds et comment ils sont influencés par la matrice du sol. Nous voulons également voir quelle quantité de carbone est métabolisée par les racines des plantes et quelle quantité est utilisée par les microbes de la rhizosphère.
Une troisième question que les chercheurs prévoient de traiter est de savoir quelle quantité de carbone dans les exsudats racinaires est stabilisée par les particules d’argile dans le sol. Les réponses à ces questions peuvent avoir des implications importantes pour comprendre la séquestration du carbone dans les sols et son rôle dans le cycle du carbone et le changement climatique.
Afin de répondre à ces questions, les chercheurs développeront des instruments innovants aux capacités améliorées, notamment une augmentation de la sensibilité du système TEP pour l’imagerie dynamique des isotopes à demi-vie courte.
« Ce n’est pas comme si la TEP et la CT des plantes n’avaient pas été faites auparavant, mais nous développons de nouvelles technologies avec de meilleures performances pour capturer le système végétal et sol », a déclaré Abbaszadeh.