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.
Гидропонных систем были использованы в качестве одного из стандартных методов исследований биологии растений и также используются в промышленном производстве в течение нескольких культур, в том числе салата и помидор. В рамках научно-исследовательского сообщества растений, многочисленные гидропонные системы были разработаны для изучения реакций растений к биотическим и абиотическим стрессам. Здесь мы представляем гидропонную протокол, который может быть легко реализована в лабораториях, заинтересованных в проведении исследований по вопросам минерального питания растений.
Этот протокол описывает гидропоники система, созданная в деталях и подготовка растительного материала для успешных экспериментов. Большинство материалов, описанных в данном протоколе могут быть найдены за пределами научных сбытовых компаний, в результате чего созданы для гидропоники экспериментов дешевле и удобнее.
Использование гидропонной системы роста является наиболее предпочтительным в тех ситуациях, когда нужно питательных сред, чтобы хорошо контролировать и при неповрежденной роOTS должны быть собраны для последующих применений. Мы также продемонстрировать, как концентрация питательных веществ могут быть изменены, чтобы побудить реакции растений на обоих основных питательных веществ и токсичных несущественных элементов.
Растения являются одними из немногих организмов , которые могут синтезировать все необходимые метаболиты из неорганических ионов, воды и СО 2 с использованием энергии захваченного от Солнца 1. Гидропоника метод выращивания растений, который использует этот факт, предоставляя все питательные вещества, в их неорганической форме, в жидком растворе с добавлением или без твердых средах. Гидропоники системы широко используются учеными для изучения потребности в питательных веществах , а также токсичность некоторых элементов в Arabidopsis и других видов растений 2-5. Например, Березин и др. 3, Конн и др. 4 и Alatorre-Кобос и др. 2 использовали гидропонные системы и несколько видов растений , в том числе томатов и табака, чтобы произвести достаточное количество растительной биомассы для минерального анализа 2-4. Промышленное применение гидропоники были также разработаны для таких культур, как томаты и салат 6. Здесь мы оutline использование гидропоники в контексте исследований, возможных вариаций доступных методов, и, наконец, представить систему, которая может быть легко масштабируется и полезной для научно-исследовательских лабораторий, заинтересованных в изучении минерального питания растений.
Гидропоники системы позволяют легко разделения корневой ткани и точного контроля питательной доступности
Гидропоника предлагает несколько преимуществ по сравнению с почвенно-системами. Когда удаляется из почвы, корневая ткань часто механически стриженый вызывая потерю ткани или повреждения. Это особенно актуально для тонких корневых структур, таких как боковые корни и корневые волоски. Гидропоники системы, которые не используют инертный носитель в виде частиц позволяют менее инвазивный разделение корней и проростков тканей.
В почвенных системах, изменения питательных веществ биодоступности по всей матрице почвы в качестве питательных веществ связываются с частицами почвы, создавая микро-среды в почве. Это чeterogeneity может добавить дополнительный уровень сложности в экспериментах, требующих точного контроля на внешней концентрации питательных веществ или других молекул. В противоположность этому, Гидропонное раствор однороден и может быть легко заменен на протяжении всего эксперимента.
Варианты гидропонных систем
Все гидропоники культуры полагаются на питательный раствор, чтобы доставить необходимые элементы на завод. В дополнение к питательные вещества, корни также нуждаются в стабильное снабжение кислородом. Когда корни становятся аноксическими они не в состоянии занять и транспортных метаболитов к остальной части тела растений 7. Гидропонных систем можно классифицировать на основе того, как они поставляют кислород и другие питательные вещества к корням: доставку кислорода путем насыщения раствора с воздухом (классические гидропонике), по не погружая корни во все времена, или позволяя корням быть полностью подвержены воздух (аэропоники) 8. В гидропонике,питательный раствор может быть насыщен воздухом до его использования и часто изменяется, или воздух можно непрерывно подавать в растворе в течение всего жизненного цикла растения 9. В качестве альтернативы, растения также можно выращивать в инертной среде (например, Rockwool, вермикулит, или керамзита) и подвергали мокрому сухих циклов наплывы раствора через средства массовой информации или периодически погружая субстрат в питательном растворе 10. В аэропоники, корни опрыскивают питательным раствором, чтобы предотвратить высыхание.
Недостатки системы гидропоники
Хотя гидропоника культуры имеют явные преимущества по сравнению с почвенно-системами, есть некоторые соображения, которые должны быть подтверждены при интерпретации данных. Например, системы гидропоники подвергать растений к условиям, которые могут рассматриваться как нефизиологичного. Таким образом, фенотип или реакции растений обнаружены с помощью гидропоники системы могут различаться по величине WHeп растения выращивают в альтернативных системах (например, почвы или агар на основе средств массовой информации). Эти соображения не являются уникальными для гидропонных систем; дифференциальные ответы также можно наблюдать , если растения выращивают в разных типах почв 11,12.
Следующий протокол обеспечивает шаг за шагом инструкции о том, как настроить систему гидропоники в лаборатории. Этот протокол был оптимизирован для Резуховидка Таля (Arabidopsis); Тем не менее, подобное или в некоторых случаях идентичные шаги могут использоваться для выращивания других видов.
Здоровье рассады, используемых для гидропоники является одним из основных факторов, способствующих успеху гидропоники эксперимента. Стерилизация инструментов, семян и средств массовой культуры также играют важную роль в снижении риска заражения и обеспечить хороший старт для растений перед их пересаживают в гидропонной системе. Рабочая среда с такими удобствами, как автоклав, вытяжкой, холодной комнате (4 ° C), и пространство роста с контролируемых условиях (интенсивность света и температуры) необходимо для хорошей экспериментальной настройки.
Свежесть питательного раствора также определяет здоровье растений и, в свою очередь определяет успех гидропонной эксперимента. Так как вода испаряется быстрее под прямым освещением, концентрация солей будет меняться из-за уменьшения общего объема раствора; поэтому лучше всего изменить гидропонного решение, по крайней мере два раза в неделю. Однако, если большие, глубокие контейнерыоборудован системой воздушного насоса используются не может быть необходимо заменить питательный раствор для экспериментов, которые являются короткими по продолжительности. Обратите внимание , что в случае Arabidopsis мы использовали Magenta сосуды (77 мм х ширина 77 мм длина х 97 мм высота) , но и другие, более крупные контейнеры также могут быть использованы для размещения больших растений.
Для исследователей , заинтересованных в питательные вещества для растений, гидропоника эксперименты дают уникальную установку для тестирования растений фенотипы и ответы на разной доступностью 17 питательных веществ. Манипулируя концентрациями элементов, представляющих интерес, исследователи могут создать различные эксперименты, чтобы проверить эффекты достаточности, недостаточности или токсических концентраций основных и неосновных необходимых питательных веществ. По сравнению с системой почвенной основе, Гидропонное система обеспечивает более однородную питательную среду для растений с меньшим риском почвенными заболеваний. Кроме того, как корневой системы и побегов ткани могут быть собраны и разделены легкодля дальнейших анализов на конкретных тканях растений.
В репрезентативной секции, мы представили два примера, в которых простая гидропоника система была использована для более детальных исследований по вопросам питания растений. В первом примере, при выращивании растений на градиенте концентрации цинка, мы смогли проиллюстрировать уровень управления, который может быть достигнут на состав питательных веществ с использованием этой системы гидропоники. Растения, выращенные с 7 мкМ Zn росли гораздо более интенсивно по сравнению с растениями, выращенными в 50 мкМ Zn, в то время как растения, выращенные без дополнительной Zn были добавлены низкорослыми по сравнению с растениями, выращенными с 7 мкМ Zn. Это было отчасти из-за продолжительности времени растения дают расти при достаточных условиях; Ранее удаление Zn из СМИ, скорее всего, чтобы вызвать сильные симптомы цинк-дефицитных. Применяя тот же принцип, что мы были способны вызывать токсичность с использованием несущественного металла, кадмий, который, как известно, ухудшают рост растений.
В секундуНапример, элементный состав Col-0 корней и побегов обрабатывают 20 мкМ Cd в течение 72 ч определяли с помощью ICP-OES. Мы обнаружили различия во всех обнаруженных металлов между корней и побегов. Макро-элементы были найдены в более высоких концентрациях в побегах по отношению к корням, в то время как железо и цинк были обнаружены в большем количестве в корнях. Кадмий следуют схеме, похожей на железо и цинк, будучи более концентрированным в корнях по сравнению с побегами. Эти данные укрепляют идею , что листья и корни предоставляют различную информацию о состоянии ionome растения и , следовательно , обе ткани необходимо анализировать отдельно , чтобы понять , минерального питания и состава на уровне всего завода. К тому же ICP-OES несколько спектроскопических методов , таких как атомно – абсорбционной спектроскопии (ААС) или с индуктивно связанной плазмой масс – спектрометрии (ICP-MS) также может быть использован для измерения элементного состава (ionome) из тканей растений 18-20.
В hydroponiс экспериментом, симптомы и фенотипы растений, отвечающих различным питательным условиях представляют собой начало того, что можно было бы распространить на более обстоятельные анализы, такие как экспрессии генов (транскриптомика) и белка (обилие протеомики). Эти методы являются -omic ключи для интеграции метаболизм растений, рассматривая процессы в ткане-специфичны.
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 |