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Iron and zinc isotope fractionation during uptake and translocation in rice (Oryza sativa) grown in oxic and anoxic soils - 24/11/15

Doi : 10.1016/j.crte.2015.05.005 
Tim Arnold a, Tamara Markovic a, Guy J.D. Kirk b, Maria Schönbächler c, Mark Rehkämper a, Fangjie J. Zhao d, Dominik J. Weiss a, e,
a Imperial College London, Department of Earth Science and Engineering, London, United Kingdom 
b Cranfield University, School of Energy, Environment & Agrifood, Cranfield, United Kingdom 
c Eidgenössische Technische Hochschule, Earth Sciences, Zürich, Switzerland 
d Rothamsted Research, Sustainable Soil and Grassland Systems Department, Harpenden, United Kingdom 
e Stanford University, School of Earth Science, Stanford, United States 

Corresponding author. Imperial College London, Department of Earth Science and Engineering, London, United Kingdom.

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Abstract

Stable isotope fractionation is emerging quickly as a powerful novel technique to study metal uptake and translocation in plants. Fundamental to this development is a thorough understanding of the processes that lead to isotope fractionation under differing environmental conditions. In this study, we investigated Zn and Fe isotope fractionation in rice grown to maturity in anaerobic and aerobic soils under greenhouse conditions. The overall Zn isotope fractionation between the soil and above ground plant material was negligible in aerobic soil but significant in anaerobic soil with isotopically lighter Zn in the rice plant. The observed range of fractionation is in line with previously determined fractionations of Zn in rice grown in hydroponic solutions and submerged soils and emphasizes the effect of taking up different chemical forms of Zn, most likely free and organically complexed Zn. The Zn in the grain was isotopically lighter than in the rest of the above ground plant in rice grown in aerobic and anaerobic soils alike. This suggests that in the course of the grain loading and during the translocation within the plant important biochemical and/or biophysical processes occur. The isotope fractionation observed in the grains would be consistent with an unidirectional controlled transport from shoot to grain with a fractionation factor of α ≈ 0.9994. Iron isotopes showed an isotopic lighter signature in shoot and grain compared to the bulk soil or the leachate in aerobic and anaerobic soils alike. The negative direction of isotopic fractionation is consistent with possible changes in the redox state of Fe occurring during the uptake and translocation processes. The isotope fractionation pattern between shoots and grain material are different for Zn and Fe which finally suggests that different mechanisms operate during translocation and grain-loading in rice for these two key micronutrients.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Isotopes, Rice (Oryza sativa), Anaerobic Soils, Iron, Zinc


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 Revised version submitted for publication to C. R. Geoscience.


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Vol 347 - N° 7-8

P. 397-404 - novembre 2015 Retour au numéro
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  • Transpiration flow controls Zn transport in Brassica napus and Lolium multiflorum under toxic levels as evidenced from isotopic fractionation
  • Eléonore Couder, Nadine Mattielli, Thomas Drouet, Erik Smolders, Bruno Delvaux, Anne Iserentant, Coralie Meeus, Claude Maerschalk, Sophie Opfergelt, David Houben
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