Effect of agarose gel elasticity on the rooting of plant seedlings

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-10-27

Department

Major/Subject

Teknillinen fysiikka

Mcode

SCI3028

Degree programme

Teknistieteellinen kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

17

Series

Abstract

Mechanical root-soil interaction, influenced by the properties of both the soil and the root system, is one of the deciding factors on the survival and success of plants. To anchor the growing plant to the ground and access water and nutrient resources, the roots are required to be able to penetrate into the soil. This root penetration is limited by the mechanical resistance of the soil. In this thesis, agarose gel, a standard and well-studied research culture medium, was used as a soil model, and the root penetration ability of young Arabidopsis thaliana seedlings was studied on different gel stiffnesses. A micropipette force sensor (MFS) indentation method was implemented to measure the Young's moduli of gels with varying concentrations of agarose and establish the relationship between agarose concentration and gel elasticity. Root response to different culture medium stiffnesses was studied by observing the ability of the emerging primary root to penetrate the agarose gel surface on different concentrations. The results for the gel elastic moduli followed a power law relation with respect to the agarose concentration and placed agreeably in the spectrum of literature values, affirming the suitability of the MFS indentation method. No consistent effect of storage time on Young's modulus was observed, suggesting that the gels could maintain a fairly constant elasticity over a time period of several weeks. A steep, steplike decrease of Arabidopsis primary root penetration ability with increasing agarose concentration was witnessed, indicating an upper threshold value of medium elasticity for root penetration. Future validation of the MFS indentation method should include the examination of the effect of micropipette spring constant and capillary wall thickness on measured elasticity values as well as the consideration of agarose gel viscoelastic properties. A direct experimental comparison between root penetration ability and gel Young's modulus is needed to find the critical gel stiffness and quantify the limit of root penetration more precisely.

Juurten ja maan välinen mekaaninen vuorovaikutus, johon vaikuttavat sekä juuriston että maa-aineksen ominaisuudet, on yksi ratkaisevista tekijöistä kasvien selviytymisessä ja menestymisessä. Kiinnittääkseen kasvavan kasvin maahan ja ulottuakseen vesi- ja ravinnevarantoihin juurten täytyy kyetä tunkeutumaan maaperän sisään. Tätä juurten läpäisevyyttä rajoittaa maa-aineksen mekaaninen vastus. Tässä kandidaatintyössä käytettiin kasvualustan mallintamiseen tutkimuskäytössä yleisesti tunnettua agaroosigeeliä, ja tutkittiin Arabidopsis thaliana -siementaimien juurten läpäisevyyttä eri vahvuisissa geeleissä. Mikropipettivoimasensoripainauma-koemenetelmää (engl. MFS indentation) sovellettiin geelien Youngin moduulien mittaamiseen eri agaroosikonsentraatioilla konsentraation ja elastisuuden välisen riippuvuussuhteen selvittämiseksi. Juurten vastetta kasvualustan jäykkyyteen tutkittiin tarkastelemalla nuoren pääjuuren kykyä läpäistä agaroosigeelipinta eri konsentraatioilla. Saadut tulokset geelin Youngin moduulille noudattivat potenssifunktiota suhteessa agaroosikonsentraatioon ja sijoittuivat yhtenevästi kirjallisuusarvoissa esiintyvälle vaihteluvälille, mikä vahvistaa MFS-painaumakokeen soveltuvuuden mittausmenetelmänä. Geelien säilytysajalla ei havaittu olleen vaikutusta Youngin moduuliin, mikä viittaa siihen, että geelit kykenisivät ylläpitämään elastisuutensa suhteellisen vakiona useamman viikon ajan. Juurten läpäisykyvyssä havaittiin jyrkkä askeleenomainen lasku agaroosikonsentraation kasvaessa. Tuloksen perusteella kasvualustan vastuksessa on juurten läpäisevyyttä rajoittava yläraja. MFS-painaumakoemenetelmän luotettavuuden vahvistamiseksi tulisi jatkossa tarkastella mikropipettien jousivakioiden ja lasikapillaarien seinien paksuuden vaikutusta mittaustuloksiin sekä ottaa huomioon agaroosigeelin viskoelastiset ominaisuudet. Geelien Youngin moduulin sekä juurten läpäisevyyden välillä olisi tarpeen toteuttaa suora kokeellinen vertailuasetelma geelin kriittisen jäykkyyden löytämiseksi ja juurten läpäisevyyden raja-arvon tarkemmaksi kvantifioimiseksi.

Description

Supervisor

Martikainen, Jani-Petri

Thesis advisor

Datar, Anagha

Keywords

MFS, agarose gel, indentation, Young's modulus, root penetration

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202410296930

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI