FTIR-ATR spectroscopy – a new approach in root discrimination of crop and weed species

Abstract

Crop and weed species often compete for the same resources. To analyse below-ground competitive processes, crop and weed roots have to be distinguished from one another. Up to now, a reliable and easy method for plant root discrimination does not exist. In a recent study, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy with an attenuated total reflection (ATR) device was successfully applied in root discrimination of distantly related plant species (pea/oat). In this experiment, we wanted to test the potential of FTIR-ATR spectroscopy to discriminate roots of closely related crop/weed-combinations. In a greenhouse experiment, two crop and associated weed species were cultivated: Maize/barnyard grass (Zea mays/Echinochloa crus-galli) and sugar beet/common lambsquarters (Beta vulgaris/Chenopodium album). To allow inter- and intra-specific competition, plants were grown sole and in crop/weed-combinations. Six weeks after sowing, root biomass was harvested and rinsed with water to remove soil particles. The absorbance patterns of fresh and dry rootlets were recorded by FTIRATR spectroscopy. Spectra of fresh rootlets within one plant family showed similar peak distribution, while dry rootles differ in peak location and height. Cluster analyses grouped the absorbance patterns of the dry crop and weed roots according to their similarity and revealed a complete root discrimination of crop and weed species.

Keywords: Beta vulgaris, Chenopodium album, Echinochloa crus-galli, spectral distribution, Zea mays

FTIR-ATR Spektroskopie – ein neuer Ansatz zur Wurzelunterscheidung von Nutzpflanzen- und Unkrautarten

Nutzpflanzen und Unkräuter konkurrieren häufig um die gleichen Ressourcen. Eine Voraussetzung zur Untersuchung von unterirdischer Konkurrenz ist, dass Wurzeln von Nutzpflanzen- und Unkrautarten unterschieden werden können. Eine schnelle und einfache Methode hierzu existiert bisher nicht. In einer früheren Studie wurde Fourier Transform Infrarot (FTIR) Spektroskopie mit abgeschwächter Totalreflektion (ATR) erfolgreich zur Wurzelunterscheidung bei entfernt verwandten Pflanzenarten (Erbse/Hafer) angewendet. In diesem Experiment wollten wir das Potenzial der FTIR-ATR Spektroskopie zur Wurzelunterscheidung bei nahverwandten Nutzpflanze/Unkraut-Kombinationen testen. In einem Gefäßversuch wurden Mais/Gemeine Hühnerhirse (Zea mays/Echinochloa crus-galli) sowie Zuckerrübe/Weißer Gänsefuß (Beta vulgaris/ Chenopodium album) angezogen. Um inter- und intraspezifische Konkurrenz zu ermöglichen, sind die Pflanzen einzeln und in Nutzpflanze/Unkraut-Kombinationen gewachsen. Sechs Wochen nach dem Säen wurden Wurzelsegmente geerntet und mit Wasser von Erdpartikeln gereinigt. Die Absorptionsmuster der frischen und getrockneten Wurzelstücke wurden mittels FTIR-ATR Spektroskopie erfasst. Die Spektren der frischen Wurzeln einer Pflanzenfamilie zeigten ähnliche Peakverteilungen und Peakhöhen, während getrocknete Wurzelstücke unterschiedliche Absorptionsmuster aufwiesen. Eine Clusteranalyse gruppierte die Spektren hinsichtlich ihrer Ähnlichkeit. Diese Analyse zeigte eine komplette Auftrennung der getrockneten Wurzelstücke entsprechend ihrer Artzugehörigkeit.

Stichwörter: Beta vulgaris, Chenopodium album, Echinochloa crus-galli, spektrale Verteilung, Zea mays