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.
Vannkultur er blitt benyttet som en av de vanlige metoder for plantebiologi forskning og blir også brukt i kommersiell produksjon i flere avlinger, inkludert salat og tomat. Innenfor anlegget forskningsmiljø, har mange hydroponic systemer er designet for å studere plante svar på biotiske og abiotiske påkjenninger. Her presenterer vi en hydroponic protokoll som lett kan implementeres i laboratorier som er interessert i å forfølge studier på anlegget mineral ernæring.
Denne protokollen beskriver hydroponisk systemet satt opp i detalj og ved fremstillingen av plantematerialet for vellykkede forsøk. Mesteparten av materialet som beskrevet i denne protokollen kan bli funnet utenfor vitenskapelige leverandørbedrifter, noe som gjør det satt opp for hydroponic eksperimenter rimeligere og praktisk.
Bruken av et hydroponisk vekst system er mest fordelaktig i situasjoner hvor næringsmediet må være godt kontrollert og når intakt roOTS må høstes for nedstrøms applikasjoner. Vi viser også hvordan næringskonsentrasjoner kan bli endret for å indusere plante svar på både essensielle næringsstoffer og giftige ikke-essensielle elementer.
Planter er blant de få organismer som kan syntetisere alle de nødvendige metabolitter fra uorganiske ioner, vann og CO 2 ved hjelp av energi fanges fra solen en. Vann er en metode for å dyrke planter som tar fordel av dette faktum ved å tilveiebringe alle de næringsstoffene, i sin uorganisk form, i en flytende oppløsning, med eller uten faste medier. Hydroponic systemer har vært mye brukt av forskere for å utforske næringsstoffer krav og også giftigheten av enkelte elementer i Arabidopsis og andre plantearter 2-5. For eksempel, Berezin et al. 3, Conn et al. 4, og Alatorre-Cobos et al. 2 brukte hydroponic systemer og flere plantearter, inkludert tomat og tobakk, for å generere tilstrekkelig anlegget biomasse til mineral analyse 2-4. Industrielle anvendelser av hydroponics har også blitt utviklet for avlinger som tomat og salat 6. Her har vi outline bruk av Vann i forskningssammenheng, kan være variasjoner tilgjengelige metoder, og endelig presentere et system som lett kan skaleres og nyttige for forskningslaboratorier interessert i å studere plantemineral ernæring.
Hydroponic systemer gir enkel separasjon av rot vev og nøyaktig kontroll av næringsstoffer
Vann tilbyr flere fordeler i forhold til jord-baserte systemer. Når fjernes fra jord, rotvev ofte mekanisk skjær forårsake tap av vev eller skade. Dette gjelder særlig for fine root strukturer som lateral røtter og rot hår. Hydroponic systemer som ikke benytter et inert partikkel media tillate en mindre invasiv separasjon av rot og skyte vev.
I jordsystemer, nærings biotilgjengelighet endringer gjennom jord matrise som næringsstoffer bindes til jordpartikler som skaper mikro-miljøer innenfor jord. dette heterogeneity kunne legge til en ekstra grad av kompleksitet i eksperimenter som trenger en nøyaktig kontroll på den eksterne konsentrasjonen av næringsstoffer eller andre molekyler. I motsetning til dette, er hydroponisk oppløsningen homogen og kan lett skiftes ut i løpet av eksperimentet.
Varianter av hydroponic systemer
Alle hydroponiske kulturer er avhengige av en næringsoppløsning for å levere essensielle elementene til anlegget. I tillegg til de næringsstoffer, røttene trenger også en jevn tilførsel av oksygen. Når røttene blir anoksisk de er ute av stand til å ta opp og transport metabolitter til resten av anlegget legeme 7. Vannkultur kan bli klassifisert på grunnlag av hvordan de leverer oksygen og andre næringsstoffer til røttene: oksygentilførsel ved metning av oppløsningen med luft (klassisk Vann), ved ikke å nedsenke røttene til alle tider, eller ved å la røttene for å bli fullstendig eksponert for luften (aeroponics) 8. I hydroponics,næringsoppløsning kan være mettet med luft før bruk og skiftes ofte, eller luft kan bli tilført kontinuerlig i løsningen i løpet av livssyklusen til anlegget 9. Alternativt kan plantene også dyrkes på inert media (for eksempel Rockwool, vermikulitt eller leire pellets) og utsatt for våt-tørr sykluser ved drypping løsning gjennom media eller periodisk senke underlaget i næringsløsningen 10. I aeroponics, er røtter sprayet med nærings-løsning for å hindre uttørking.
Ulemper av hydroponic systemer
Selv om hydroponic kulturer har klare fordeler fremfor jordbaserte systemer, er det noen hensyn som må bli anerkjent ved tolkningen av dataene. For eksempel, i vannkultur utsette plantene til forhold som kan bli sett på som ikke-fysiologisk. Derfor fenotyper eller plante svarene oppdaget ved hjelp av hydroponic systemer kan variere i størrelse when planter dyrkes i alternative systemer (for eksempel jord eller agar-baserte medier). Disse betraktningene er ikke unikt for hydroponic systemer; differensielle responser kan også observeres dersom plantene dyrkes i forskjellige typer jord 11,12.
Følgende protokoll gir steg-for-steg instruksjoner om hvordan du setter opp et hydroponic system i et laboratorium. Denne protokollen er optimalisert for vårskrinneblom (Arabidopsis); imidlertid, på samme måte eller i noen tilfeller identiske fremgangsmåten kan anvendes for å dyrke andre arter.
Helsen til frøplanter brukes for hydroponics er en av de viktigste faktorene som bidrar til suksess for en hydroponic eksperiment. Sterilisering av instrumenter, frø, og kulturmediet også spille en viktig rolle i å redusere risikoen for forurensning og tilveiebringe en god start for plantene før de blir transplantert inn i hydroponisk system. Et arbeidsmiljø med fasiliteter som en autoklav, avtrekkshette, kaldt rom (4 ° C), og veksten plass med kontrollerte forhold (lys intensitet og temperatur) er nødvendig for en god eksperimentell satt opp.
Helse på nærings-løsning også bestemmer plantehelse og i sin tur avgjør suksessen til en hydroponic eksperiment. Siden vannet fordamper raskere under direkte belysning, vil konsentrasjonen av salter endres på grunn av en reduksjon av totalløsning volum; Derfor er det best å endre hydroponisk oppløsning minst to ganger i uken. Men hvis store, dype containereutstyrt med en luftpumpesystem blir brukt, kan det ikke være nødvendig å skifte ut næringsoppløsningen for eksperimenter som er korte i varighet. Legg merke til at i tilfelle av Arabidopsis vi brukte Magenta fartøy (77 mm bredde x 77 mm lengde x 97 mm høyde), men også andre, større beholdere kan også brukes for å få plass til større anlegg.
For forskere som er interessert i plantenæringsstoffer, hydroponic eksperimenter gir en unik setting for å teste anlegget fenotyper og reaksjoner til ulike næringsstoffer 17. Ved å manipulere konsentrasjonene av elementer av interesse, kan forskere sette opp forskjellige eksperimenter for å teste effekten av forsyning, mangel, eller toksiske konsentrasjoner av essensielle og ikke-essensielle næringsstoffer. I forhold til jord-baserte system, gir hydroponisk systemet en mer homogen næringsmedium for planter med mindre risiko for jordbårne sykdommer. I tillegg kan både rot og skyter vev høstes og separeres lettfor videre analyser på spesifikke plantemateriale.
I representativt snitt, introduserte vi to eksempler der en enkelt hydroponic systemet ble brukt for mer detaljerte studier av plantenæring. I det første eksemplet, ved å dyrke planter på en sink konsentrasjonsgradient, var vi i stand til å illustrere nivået av kontroll som kan oppnås på næringssammensetningen ved hjelp av denne hydroponic system. Planter dyrket med 7 mikrometer Zn vokste mye hardere enn planter dyrket i 50 M Zn, mens planter dyrkes uten ekstra Zn lagt ble hemmet i forhold til planter dyrket med 7 mikrometer Zn. Dette var delvis på grunn av lengden av tid plantene ble tillatt å vokse under tilstrekkelige betingelser; tidligere fjerning av Zn fra media er sannsynlig å indusere sterkere sink-mangel symptomer. Å anvende det samme prinsipp, var vi i stand til å indusere toksisitet ved bruk av ikke-essensielle metall, kadmium, som er kjent for å svekke plantevekst.
I den andreeksempel elementsammensetningen av Col-0 røtter og skudd behandlet med 20 pM Cd i 72 timer ble bestemt ved ICP-OES. Vi fant forskjeller i alle oppdagede metaller mellom røtter og skudd. Makroelementene ble funnet i høyere konsentrasjoner i skuddene i forhold til røttene, mens jern og sink ble funnet mer rikelig i røtter. Kadmium fulgt et mønster som ligner på jern og sink, være mer konsentrert i røttene i forhold til skudd. Disse data forsterke den ideen at blader og røtter gir forskjellig informasjon om ionome status av anlegget og dermed begge vev må analyseres separat for å forstå mineral ernæring og sammensetning på det hele anlegget nivå. Foruten ICP-OES flere spektroskopiske metoder som Atomic Absorption spektroskopi (AAS) eller induktivt koblet plasma massespektrometri (ICP-MS) kan også brukes til å måle elementsammensetningen (ionome) av plantevev 18-20.
I en hydroponic eksperiment, symptomer og fenotyper av planter reagerer på ulike næringsforhold representerer begynnelsen på hva som kan bli utvidet til mer utdypet analyser som genekspresjon (transcriptomics) og protein overflod (proteomikk). Disse -omic teknikkene er nøklene til å integrere anlegget metabolisme ved å vurdere prosesser i en vev-spesifikk måte.
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 | ||
Other | |||
Ethanol | Fisher Scientific | A995-4 | Reagent Alcohol |
Cadmium Chloride (CdCl2) | Sigma-Aldrich | 10108-64-2 |