Here, we present an easy-to-follow protocol to establish a successful hydroponic system for plant nutrition studies. This protocol has been extensively tested in Arabidopsis and can easily be adapted to other plant species to study specific nutritional requirements or the effect of non-essential elements on plant growth and development.
وقد تم استخدام أنظمة الزراعة المائية باعتبارها واحدة من الطرق القياسية للبحوث بيولوجيا النبات وتستخدم أيضا في الإنتاج التجاري للعديد من المحاصيل، بما في ذلك الخس والطماطم. داخل المجتمع البحوث النباتية، وقد تم تصميم النظم المائية عديدة لدراسة استجابات النبات للضغوط الحيوية وغير الحيوية. هنا نقدم بروتوكول المائية التي يمكن تنفيذها بسهولة في المختبرات المهتمة في متابعة دراساتهم في تغذية النبات المعدنية.
يصف هذا البروتوكول نظام الزراعة المائية المقامة في التفاصيل وإعداد المواد النباتية للتجارب الناجحة. معظم المواد الموصوفة في هذا البروتوكول يمكن العثور عليها خارج شركات توريد العلمية، مما يجعل من اقامة للتجارب المائية أقل تكلفة ومريحة.
استخدام نظام نمو الزراعة المائية هي الأكثر فائدة في الحالات التي تحتاج إلى وسائل الإعلام المغذيات إلى أن تسيطر عليها بشكل جيد وعندما ريال عماني سليمةتحتاج إلى أن تحصد لتطبيقات المصب محطة تكرير النفط. علينا أن نبرهن أيضا كيف تركيزات المواد الغذائية يمكن تعديلها للحث على استجابات النبات على حد سواء المواد الغذائية الأساسية والعناصر غير الضرورية السامة.
النباتات هي من بين عدد قليل من الكائنات الحية التي يمكن توليف جميع نواتج المطلوبة من الأيونات غير العضوية والماء وثاني أكسيد الكربون 2 باستخدام الطاقة القبض على من الشمس 1. الزراعة المائية هي طريقة لزراعة النباتات التي تستفيد من هذه الحقيقة من خلال توفير جميع العناصر الغذائية، في شكلها غير العضوية، في المحلول السائل مع أو بدون وسائل الاعلام الصلبة. وقد استخدمت الأنظمة المائية على نطاق واسع من قبل العلماء لاستكشاف الاحتياجات الغذائية وكذلك سمية بعض العناصر في نبات الأرابيدوبسيس والأنواع النباتية الأخرى 2-5. على سبيل المثال، Berezin وآخرون. 3، كونيتيكت وآخرون. 4، وAlatorre-كوبوس وآخرون. 2 تستخدم أنظمة الزراعة المائية والعديد من الأنواع النباتية بما في ذلك الطماطم والتبغ، لتوليد ما يكفي من الكتلة الحيوية النباتية لتحليل المعادن 2-4. كما تم تطوير التطبيقات الصناعية للالزراعة المائية للمحاصيل مثل الطماطم والخس 6. هنا، نحن سutline استخدام الزراعة المائية في سياق البحث، والاختلافات المحتملة في الطرق المتاحة، وتقديم أخيرا نظام يمكن أن تكون قابلة للتطوير بسهولة ومفيدة للمختبرات الأبحاث المهتمة في دراسة تغذية النبات المعدنية.
نظم الزراعة المائية تسمح لسهولة انفصال الأنسجة الجذرية ومراقبة دقيقة من توافر المواد الغذائية
تقدم الزراعة المائية العديد من المزايا أكثر من النظم القائمة على التربة. عند إزالتها من التربة، وغالبا ما المنفصمة الأنسجة الجذرية ميكانيكيا مما تسبب في فقدان الأنسجة أو أضرار. هذا صحيح بشكل خاص لهياكل الجذر الجميلة مثل الجذور الجانبية وجذور الشعر هذا. نظم الزراعة المائية التي لا تستخدم وسائل الإعلام الجسيمات الخاملة تسمح لفصل أقل الغازية من الجذر واطلاق النار على الأنسجة.
في أنظمة التربة والتغيرات المغذيات التوافر البيولوجي في جميع أنحاء مصفوفة التربة والمواد الغذائية تترابط جزيئات التربة خلق بيئات الصغيرة داخل التربة. هذا حeterogeneity يمكن أن تضيف مستوى إضافيا من التعقيد في التجارب التي تحتاج إلى مراقبة دقيقة على تركيز خارجي من المواد الغذائية أو جزيئات أخرى. في المقابل، فإن حل المائية غير متجانسة، ويمكن الاستعاضة عنها بسهولة طوال فترة التجربة.
أنواع من النظم المائية
جميع الثقافات المائية تعتمد على المحلول المغذي لتسليم العناصر الأساسية لهذا المصنع. وبالإضافة إلى المواد الغذائية، في حاجة إلى الجذور أيضا وجود إمدادات ثابتة من الأكسجين. عندما تصبح جذور الأكسجين أنهم غير قادرين على تناول والأيض النقل إلى باقي الجسم مصنع 7. ويمكن تصنيف الأنظمة المائية على أساس كيف أنها تقدم الأكسجين والمواد المغذية الأخرى إلى جذور: تسليم الأوكسجين من قبل تشبع الحل مع الهواء (الزراعة المائية الكلاسيكية)، من خلال عدم غمر جذور في جميع الأوقات، أو من خلال السماح للجذور أن تتعرض تماما ل الهواء (aeroponics) 8. في الزراعة المائية،المحلول المغذي يمكن أن تكون مشبعة بالهواء قبل استخدامها، وتغيرت كثير من الأحيان، أو الهواء يمكن توفيره بشكل مستمر في الحل على مدى دورة حياة النبات 9. بدلا من ذلك، يمكن أيضا أن تنمو النباتات على وسائل الإعلام خامل (الكريات على سبيل المثال، الصوف الصخري، الخس، أو الطين) وتعرض لالرطب الجافة دورات التي كتبها نازف حل من خلال وسائل الإعلام أو دوريا غمر الركيزة في المحلول المغذي 10. في aeroponics، يتم رش الجذور مع المحلول المغذي لمنع جفاف.
عيوب النظم المائية
على الرغم من الثقافات المائية توفر مزايا واضحة على النظم القائمة على التربة، وهناك بعض الاعتبارات التي يجب أن اعترف عند تفسير البيانات. على سبيل المثال، النظم المائية تعرض النباتات للظروف التي يمكن أن ينظر إليها على أنها غير الفسيولوجية. لذلك، الظواهر أو استجابات النبات الكشف باستخدام نظم الزراعة المائية قد تختلف في حجم عرجن تزرع النباتات في نظم بديلة (مثل التربة أو وسائل الإعلام على أجار). هذه الاعتبارات ليست فريدة من نوعها لأنظمة الزراعة المائية. كما يمكن ملاحظة ردود الأفعال المختلفة إذا تزرع النباتات في أنواع مختلفة من التربة 11،12.
وينص البروتوكول التالية خطوة بخطوة على تعليمات حول كيفية إعداد نظام الزراعة المائية في المختبر. وقد تم تحسين هذا البروتوكول لthaliana نبات الأرابيدوبسيس (نبات الأرابيدوبسيس)؛ ومع ذلك، مماثلة أو في بعض الحالات خطوات مماثلة يمكن استخدامها لزراعة الأنواع الأخرى.
صحة الشتلات المستخدمة في الزراعة المائية هي واحدة من العوامل الرئيسية التي تسهم في نجاح تجربة الزراعة المائية. تعقيم الأدوات والبذور وسائل الإعلام والثقافة أيضا تلعب دورا هاما في الحد من مخاطر التلوث وتوفير بداية جيدة للنباتات قبل أن يتم زرعها هم في نظام الزراعة المائية. بيئة العمل مع مرافق مثل الأوتوكلاف، غطاء الدخان، غرفة باردة (4 درجة مئوية)، والفضاء النمو مع الظروف التي تسيطر عليها (شدة الضوء ودرجة الحرارة) ضروري لمجموعة والتجريبية جيدة تصل.
نضارة المحلول المغذي يحدد أيضا صحة النبات، وهذا بدوره يحدد نجاح تجربة الزراعة المائية. منذ المياه يتبخر بشكل أسرع تحت الإضاءة المباشرة، فإن تركيز الأملاح تتغير بسبب انخفاض من إجمالي حجم حل. لذا فمن الأفضل أن تغيير الحل المائية على الأقل مرتين في الأسبوع. ومع ذلك، إذا الكبيرة والحاويات عميقةمجهزة بنظام ضخ الهواء تستخدم أنه قد لا يكون من الضروري استبدال المحلول المغذي للتجارب التي هي قصيرة في مدتها. لاحظ أنه في حالة نبات الأرابيدوبسيس كنا السفن أرجواني (77 مم عرض × 77 مم × طول 97 مم الارتفاع) ولكن يمكن أيضا أخرى، حاويات أكبر أن تستخدم لاستيعاب أكبر مصانع.
للباحثين المهتمين في المغذيات النباتية، وتوفر تجارب المائية بيئة فريدة لاختبار الظواهر النباتية والردود على مختلف توافر المواد الغذائية 17. عن طريق التلاعب في تركيزات العناصر المثيرة للاهتمام، يمكن للباحثين اقامة تجارب مختلفة لاختبار آثار الاكتفاء، نقص، أو تركيزات السامة من المواد الغذائية الأساسية وغير الأساسية. بالمقارنة مع النظام القائم على التربة، ونظام الزراعة المائية يوفر وسط غذائي أكثر تجانسا للنباتات مع خطر أقل للأمراض التي تنتقل عن طريق التربة. وبالإضافة إلى ذلك، كل من الجذر واطلاق النار على الأنسجة يمكن حصاده وفصلها بسهولةلمزيد من التحليلات على أنسجة نباتية معينة.
في قسم التمثيل، قدمنا اثنين من الأمثلة التي تم استخدام نظام الزراعة المائية بسيطة لدراسات أكثر تفصيلا عن تغذية النبات. في المثال الأول، من خلال زراعة النباتات على التدرج تركيز الزنك، كنا قادرين على توضيح مستوى الرقابة التي يمكن تحقيقها على تكوين المواد الغذائية التي تستخدم هذا النظام المائية. النباتات التي تزرع مع 7 ميكرومتر الزنك نمت أكثر من ذلك بكثير بقوة مقارنة مع النباتات التي تزرع في 50 ميكرومتر الزنك، في حين أن النباتات المزروعة دون المضافة وتوقف إضافي الزنك مقارنة مع النباتات التي تزرع مع 7 ميكرومتر الزنك. وكان هذا ويرجع ذلك جزئيا إلى طول الفترة الزمنية سمح للنباتات أن تنمو في ظل ظروف كافية. ومن المرجح أن تحفز أعراض أقوى الزنك ونقص إزالة السابقة من الزنك من وسائل الإعلام. تطبيق نفس المبدأ، كنا قادرين على إحداث سمية باستخدام المعادن غير الاساسيين والكادميوم، والذي يعرف ليضعف نمو النبات.
في الثانيسبيل المثال، تم تحديد التركيب العنصري من العقيد-0 جذور وبراعم تعامل مع 20 ميكرومتر الكادميوم لمدة 72 ساعة قبل ICP-OES. لقد وجدنا اختلافات في جميع المعادن الكشف عن بين الجذور والبراعم. وقد وجدت عناصر الاقتصاد الكلي في تركيزات أعلى في براعم النسبية إلى الجذور، في حين تم العثور على الحديد والزنك أكثر وفرة في الجذور. وجاء الكادميوم نمطا مماثلا إلى الحديد والزنك، ويجري أكثر تركيزا في الجذور مقارنة يطلق النار. وتعزز هذه البيانات فكرة أن الأوراق والجذور توفر معلومات مختلفة عن حالة ionome من النبات، وبالتالي تحتاج إلى تحليل منفصل لفهم التغذية المعدنية والتكوين على مستوى المصنع كله على حد سواء الأنسجة. إلى جانب ICP-OES العديد من الطرق الطيفية مثل الامتصاص الذري الطيفي (أنصار السنة) أو إلى جانب بالحث البلازما الطيف الكتلي (ICP-MS) ويمكن أيضا أن تستخدم لقياس التركيب العنصري (ionome) من أنسجة النبات 18-20.
في hydroponiج التجربة، والأعراض والظواهر النباتات الاستجابة لشروط المواد الغذائية المختلفة تمثل بداية لما يمكن أن تمتد إلى أكثر تفصيلا يحلل مثل التعبير الجيني (transcriptomics) وفرة البروتين (البروتينات). هذه التقنيات -omic هي مفاتيح لدمج التمثيل الغذائي المصنع من خلال النظر في العمليات بطريقة الأنسجة محددة.
The authors have nothing to disclose.
This research was supported by the University of Missouri Research Board (Project CB000519) and the US National Science Foundation (IIA-1430428 to DMC). Nga T. Nguyen was supported by the Vietnam Education Foundation Training Program (Exchange visitor program No. G-3-10180). We also thank Roger Meissen (MU Bond Life Sciences Center) for his assistance and expertise during the video recording and editing sessions.
For seed sterilization | |||
Bleach | The Clorox Company | NA | The regular bleach |
www.cloroxprofessional.com | |||
Hydrochloric acid | Fisher Scientific | A144-500 | |
Desiccator body | Nalgene | D2797 SIGMA | Marketed by Sigma-Aldrich |
Desiccator plate | Nalgene | 5312-0230 | Marketed by Thermo Scientific |
For one quarter MS medium preparation | |||
MES | Acros Organics | 172591000 | 4-Morpholineethanesulfonic acid hydrate |
Murashige and Skoog (MS) | Sigma-Aldrich | M0404-10L | |
KOH | Fisher Scientific | P250-500 | |
Phytoagar | Duchefa Biochemie | P1003.1000 | |
Square plate | Fisher Scientific | 0875711A | Disposable Petri Dish With Grid |
For seed plating | |||
Filter paper | Whatman | 1004090 | |
Toothpick | Jarden Home Brands | NA | |
Aluminum foil | Reynolds Wrap | NA | Standard aluminum foil |
Micropore tape | 3M Health Care | 19-898-074 | Surgical tape; Marketed by Fisher Scientific |
For hydroponic solution preparation | |||
KNO3 | Fisher Scientific | BP368-500 | |
KH2PO4 | Fisher Scientific | P386-500 | |
MgSO4 | Fisher Scientific | M63-500 | |
Ca(NO3)2 | Acros Organics | A0314209 | |
H3BO3 | Sigma | B9645-500G | |
MnCl2 | Sigma-Aldrich | M7634-100G | |
ZnSO4 | Sigma | Z0251-100G | |
Na2MoO4 | Aldrich | 737-860-5G | |
NaCl2 | Fisher Scientific | S271-1 | |
CoCl | Sigma-Aldrich | 232696-5G | |
FeEDTA | Sigma | E6760-100G | |
“Stericup & Steritop” bottle | Milipore Corporation | SCGVU02RE | Micronutrient container |
For root wash buffer preparation | www.milipore.com | ||
EDTA | Acros Organics | A0305456 | |
Tris | Fisher Scientific | BP154-1 | |
For hydroponic set up | |||
Autoclavable foam tube plug | Jaece Industries Inc. | L800-A | Identi-Plugs fit to holes with 2R=6-13mm |
Foam Board | Styrofoam Brand Dow | ESR-2142 | Thickness is 1/2 inches |
Cork borer | Humboldt | H-9662 | Cork Borer Sets with Handles, , Plated Brass Set of 6, 3/16" to 1/2" OD Size |
Air pump | Aqua Culture | MK-1504 | |
Marketed by Wal-mart Stores, Inc. | |||
Airline tubing and aquarium bubble stones | Aqua Culture | Tubing: 928/25-S | |
Marketed by Wal-mart Stores, Inc. | Stone: ASC-1 | ||
Andere | |||
Ethanol | Fisher Scientific | A995-4 | Reagent Alcohol |
Cadmium Chloride (CdCl2) | Sigma-Aldrich | 10108-64-2 |