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.
sistemas hidropónicos têm sido utilizados como um dos métodos padrão para a investigação de biologia planta e são também utilizados na produção comercial de várias culturas, incluindo a alface e tomate. Dentro da comunidade de pesquisa planta, numerosos sistemas hidropônicos foram concebidos para estudar as respostas das plantas a estresses bióticos e abióticos. Aqui apresentamos um protocolo hidropônico que pode ser facilmente implementado em laboratórios interessados em prosseguir estudos sobre nutrição de plantas mineral.
Este protocolo descreve o sistema hidropônico configurar em detalhe e a preparação de material vegetal de experiências bem sucedidas. A maioria dos materiais descritos neste protocolo pode ser encontrado fora empresas de fornecimento científicas, tornando a configuração para experimentos hidropônicos menos caro e conveniente.
A utilização de um sistema de crescimento hidropónico é mais vantajoso em situações em que os meios nutrientes necessitam de ser bem controlada e, quando intacta roots precisam ser colhidas para aplicações a jusante. Nós também demonstrar como as concentrações de nutrientes pode ser modificado para induzir respostas das plantas de ambos os nutrientes essenciais e não essenciais elementos tóxicos.
As plantas estão entre os poucos organismos que podem sintetizar todos os metabólitos necessários de íons inorgânicos, água e CO2, utilizando a energia captada do sol 1. Hidroponia é um método de crescimento de plantas que tira proveito deste facto, fornecendo todos os nutrientes, na sua forma inorgânica, numa solução líquida, com ou sem meios sólidos. Sistemas hidropônicos têm sido amplamente utilizados por cientistas para explorar necessidades de nutrientes e também a toxicidade de alguns elementos em Arabidopsis e outras espécies de plantas 2-5. Por exemplo, Berezin et al. 3, Conn et al. 4, e Alatorre-Cobos et al. 2 utilizadas sistemas hidropônicos e várias espécies de plantas, incluindo tomate e tabaco, para gerar biomassa vegetal suficiente para a análise mineral 2-4. As aplicações industriais de hidroponia também foram desenvolvidos para as culturas, tais como tomate e alface 6. Aqui, outline o uso de hidroponia no contexto de pesquisa, possíveis variações nos métodos disponíveis, e, finalmente, apresentar um sistema que pode ser facilmente escaláveis e útil para laboratórios de pesquisa interessados em estudar a nutrição das plantas mineral.
Sistemas hidropônicos permitir a fácil separação do tecido da raiz e um controlo preciso da disponibilidade de nutrientes
Hidroponia oferece várias vantagens em relação aos sistemas à base de solo. Quando removido do solo, tecido de raiz é muitas vezes mecanicamente cortado, causando a perda de tecido ou danos. Isto é particularmente verdadeiro para estruturas de raiz finos, tais como raízes laterais e pêlos radiculares. sistemas hidropônicos que não utilizam uma mídia de partículas inertes permitem uma separação menos invasiva de raízes e parte aérea tecidos.
Em sistemas do solo, as alterações de nutrientes de biodisponibilidade em toda a matriz do solo como nutrientes se ligam às partículas do solo, criando micro-ambientes dentro do solo. este heterogeneity poderia adicionar um nível extra de complexidade em experimentos que necessitam de um controle preciso sobre a concentração externa de nutrientes ou outras moléculas. Em contraste, a solução hidropónica é homogénea e podem ser facilmente substituídas em todo o decorrer da experiência.
Variantes de sistemas hidropônicos
Todas as culturas hidropónicas contar com uma solução nutritiva para fornecer elementos essenciais para a planta. Além dos nutrientes, as raízes também precisa de um fornecimento constante de oxigênio. Quando as raízes se tornar anóxica eles são incapazes de assumir e metabolitos de transporte para o resto do corpo da planta 7. sistemas hidropônicos podem ser classificados com base em como eles entregar oxigênio e outros nutrientes para as raízes: fornecimento de oxigênio saturando a solução com o ar (hidroponia clássicas), por não submergir as raízes em todos os momentos, ou permitindo que as raízes de ser completamente expostos a o ar (aeroponics) 8. Em hidroponia,solução nutritiva pode ser saturada com ar antes da sua utilização e mudado com frequência, ou o ar pode ser continuamente fornecido na solução ao longo do ciclo de vida da planta 9. Em alternativa, as plantas podem também ser cultivadas em meios inerte (por exemplo, peletes, lã de rocha, vermiculite, argila ou) e submetidos a ciclos molhada e seca por gotejamento de uma solução através dos meios de comunicação ou periodicamente, submergindo o substrato na solução nutritiva 10. Em aeroponics, as raízes são pulverizadas com a solução de nutrientes para prevenir a dessecação.
Desvantagens dos sistemas hidropônicos
Embora culturas hidropónicas oferecer vantagens claras sobre sistemas baseados em solo, existem algumas considerações que devem ser reconhecidos na interpretação dos dados. Por exemplo, sistemas hidropónicos expor plantas a condições que podem ser consideradas como não-fisiológico. Portanto, fenótipos ou respostas das plantas detectados utilizando sistemas hidropónicos podem variar em magnitude wheN plantas são cultivadas em sistemas alternativos (por exemplo, solos ou o suporte à base de agar). Estas considerações não são exclusivos para sistemas hidropônicos; respostas diferenciais pode também ser observado se as plantas são cultivadas em diferentes tipos de solo 11,12.
O protocolo a seguir fornece instruções passo-a-passo sobre como configurar um sistema hidropônico em um laboratório. Este protocolo foi optimizado para Arabidopsis thaliana (Arabidopsis); no entanto, semelhantes ou, em alguns casos passos idênticos podem ser utilizados para cultivar outras espécies.
A saúde das mudas utilizadas para hidroponia é um dos principais factores que contribuem para o sucesso de uma experiência hidropônico. A esterilização de instrumentos, sementes, e meios de cultura também desempenham um papel importante na redução do risco de contaminação e proporcionar um bom começo para as plantas antes de serem transplantados para o sistema de hidroponia. Um ambiente de trabalho com equipamentos, tais como uma autoclave, exaustor, frio quartos (4 ° C), e no espaço de crescimento com condições controladas (intensidade de luz e temperatura) é necessário para uma boa montagem experimental.
A frescura da solução nutritiva também determina a saúde das plantas e, por sua vez determina o sucesso de uma experiência hidropônico. Como a água evapora mais rápido sob iluminação direta, a concentração de sais vai mudar devido a uma redução do volume total de solução; portanto, é melhor mudar de solução hidropônica, pelo menos, duas vezes por semana. No entanto, se recipientes grandes, profundasequipado com um sistema de bomba de ar são usados pode não ser necessário para substituir a solução de nutrientes para as experiências que são de curta duração. Note-se que no caso de Arabidopsis foi utilizado vasos Magenta (77 milímetros de largura x 77 mm de comprimento x 97 mm de altura), mas outros recipientes maiores podem também ser utilizados para acomodar instalações de maiores dimensões.
Para os pesquisadores interessados em nutrientes para as plantas, os experimentos hidropônicos proporcionam um cenário único para testar fenótipos de plantas e respostas a diferentes disponibilidade de nutrientes 17. Ao manipular as concentrações dos elementos de interesse, os investigadores podem configurar diferentes experiências para testar os efeitos da suficiência, deficiência, ou concentrações tóxicas de nutrientes essenciais e não essenciais. Em comparação com o sistema à base de solo, o sistema de hidroponia fornece um meio nutriente mais homogénea para as plantas com menos risco de doenças com origem no solo. Além disso, tanto raízes e parte aérea tecidos podem ser colhidas e separadas facilmentepara mais análises sobre tecidos vegetais específicos.
Na seção representativa, introduzimos dois exemplos em que um sistema hidropônico simples foi usado para estudos mais detalhados sobre a nutrição das plantas. No primeiro exemplo, por cultivo de plantas em um gradiente de concentração de zinco, que eram capazes de ilustrar o nível de controlo que pode ser conseguida sobre a composição nutriente utilizando este sistema de hidroponia. As plantas cultivadas com 7 mM Zn cresceu muito mais vigorosamente em comparação com as plantas cultivadas em 50 mM de Zn, enquanto que as plantas cultivadas sem extras Zn adicionado foram atrofiado em comparação com as plantas crescidas com 7 mM Zn. Este foi, em parte, devido ao período de tempo as plantas foram deixadas crescer sob condições suficientes; remoção anterior do Zn dos meios de comunicação é susceptível de induzir sintomas de deficiência de zinco mais fortes. Aplicando o mesmo princípio, fomos capazes de induzir toxicidade usando o metal não-essencial, o cádmio, o que é conhecido para afectar o crescimento das plantas.
No segundoexemplo, a composição elementar de Col-0 raízes e brotos tratados com 20 mM Cd durante 72 horas foi determinada por ICP-OES. Foram encontradas diferenças em todos os metais detectados entre raízes e parte aérea. Os macro-elementos foram encontrados em concentrações mais elevadas nos rebentos em relação às raízes, enquanto o ferro e zinco foram encontrados mais abundante nas raízes. Cádmio seguiu um padrão semelhante ao ferro e zinco, sendo mais concentrada nas raízes em comparação com brotos. Esses dados reforçam a ideia de que folhas e raízes fornecem informações diferentes sobre o status ionoma da planta e, portanto, ambos os tecidos precisam ser analisados separadamente para entender a nutrição mineral e composição para todo o nível da planta. Além ICP-OES vários métodos espectroscópicos tais como Atomic Absorption Spectroscopy (EAA) ou de plasma indutivamente acoplado espectrometria de massa (ICP-MS) também pode ser utilizado para medir a composição elementar (ionoma) de tecidos vegetais 18-20.
Numa hydroponic experimento, os sintomas e os fenótipos de plantas respondem a diferentes condições nutricionais representam o início do que poderia ser estendido em mais elaboradas análises como a expressão do gene (transcriptomics) e abundância de proteínas (proteômica). Estas técnicas -omic são chaves para integrar o metabolismo das plantas, considerando os processos de uma forma específica de tecido.
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 |