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.
systèmes hydroponiques ont été utilisés comme l'une des méthodes standards pour la recherche en biologie végétale et sont également utilisés dans la production commerciale pour plusieurs cultures, y compris la laitue et la tomate. Au sein de la communauté de recherche sur les plantes, de nombreux systèmes hydroponiques ont été conçus pour étudier les réponses des plantes aux stress biotiques et abiotiques. Nous présentons ici un protocole hydroponique qui peut être facilement mis en œuvre dans les laboratoires intéressés à poursuivre des études sur la nutrition minérale des plantes.
Ce protocole décrit le système hydroponique mis en place dans le détail et la préparation du matériel végétal pour des expériences réussies. La plupart des matériaux décrits dans ce protocole peuvent être trouvés en dehors des entreprises de fournitures scientifiques, ce qui rend la mise en place pour des expériences hydroponiques moins cher et pratique.
L'utilisation d'un système de culture hydroponique est la plus avantageuse dans des situations où les milieux nutritifs doivent être bien contrôlés et quand ro intacteOTS doivent être récoltées pour des applications en aval. Nous démontrons également comment les concentrations en éléments nutritifs peut être modifié pour induire des réponses des plantes à la fois les éléments nutritifs essentiels et des éléments non essentiels toxiques.
Les plantes sont parmi les quelques organismes qui peuvent synthétiser tous les métabolites nécessaires à partir des ions inorganiques, de l' eau et de CO 2 à l' aide de l'énergie captée du soleil 1. La culture hydroponique est une méthode de culture de plantes qui tire profit de ce fait en fournissant tous les éléments nutritifs, dans leur forme inorganique, dans une solution liquide avec ou sans support solide. Systèmes hydroponiques ont été largement utilisés par les scientifiques pour explorer les besoins en nutriments et aussi la toxicité de certains éléments dans Arabidopsis et d' autres espèces végétales 2-5. Par exemple, Berezin et al. 3, Conn et al. 4, et Alatorre-Cobos et al. 2 utilisé les systèmes hydroponiques et plusieurs espèces de plantes , y compris la tomate et le tabac, pour produire de la biomasse végétale suffisante pour l' analyse minérale 2-4. Les applications industrielles de la culture hydroponique ont également été mis au point pour les cultures comme la tomate et la laitue 6. Ici, nous oPERÇU l'utilisation de la culture hydroponique dans le contexte de la recherche, les variations possibles des méthodes disponibles, et enfin présenter un système qui peut être facilement évolutive et utile pour les laboratoires de recherche intéressés à étudier la nutrition minérale des plantes.
Systèmes hydroponiques permettent une séparation facile des tissus des racines et un contrôle précis de la disponibilité des éléments nutritifs
Hydroponique offre plusieurs avantages par rapport aux systèmes à base de sol. Lorsqu'ils sont retirés du sol, les tissus des racines est souvent cisaillé mécaniquement causant la perte de tissu ou de dommages. Cela est particulièrement vrai pour les structures profondes fines telles que les racines latérales et des poils racinaires. systèmes hydroponiques qui n'utilisent pas un média inerte en particules permettent une séparation moins invasive de la racine et de tirer les tissus.
Dans les sols, les modifications de la biodisponibilité des nutriments à travers la matrice du sol en tant que nutriments se lient aux particules du sol en créant des micro-environnements à l'intérieur du sol. Cet heterogeneity pourrait ajouter un niveau supplémentaire de complexité dans les expériences qui ont besoin d'un contrôle précis de la concentration externe de nutriments ou d'autres molécules. En revanche, la solution hydroponique est homogène et peut être facilement remplacé tout au long de l'expérience.
Des variantes de systèmes hydroponiques
Toutes les cultures hydroponiques reposent sur une solution nutritive pour fournir des éléments essentiels à la plante. En plus des éléments nutritifs, les racines doivent également un approvisionnement régulier en oxygène. Lorsque les racines deviennent anoxique ils sont incapables de prendre et de métabolites de transport pour le reste du corps de la plante 7. systèmes hydroponiques peuvent être classés en fonction de la façon dont ils fournissent de l'oxygène et d'autres nutriments aux racines: l'apport d'oxygène en saturant la solution avec de l'air (hydroponique classique), en ne submergeant les racines en tout temps, ou en permettant aux racines d'être complètement exposés à l'air (aéroponique) 8. En hydroponie,la solution nutritive peut être saturée avec de l' air avant son utilisation et change fréquemment, ou l' air peut être alimenté en continu dans la solution au cours du cycle de vie de l'installation 9. En variante, les plantes peuvent aussi être cultivées sur un milieu inerte (par exemple de granulés, de laine minérale, de la vermiculite ou de l' argile) et soumis à des cycles humide-sèche la solution par égouttage à travers la presse ou de façon périodique immergeant le substrat dans la solution nutritive 10. Dans aéroponique, les racines sont pulvérisées avec la solution nutritive pour éviter la dessiccation.
Inconvénients des systèmes hydroponiques
Bien que les cultures hydroponiques offrent des avantages évidents par rapport aux systèmes à base de sol, il y a quelques considérations qui doivent être reconnues lors de l'interprétation des données. Par exemple, les systèmes hydroponiques exposent des plantes à des conditions qui peuvent être considérées comme non-physiologique. Par conséquent, les phénotypes ou les réponses des plantes détectées en utilisant les systèmes hydroponiques peuvent varier en amplitude when plantes sont cultivées dans des systèmes alternatifs (par exemple, le sol ou les médias à base d' agar-). Ces considérations ne sont pas uniques pour les systèmes hydroponiques; réponses différentielles peuvent également être observés si les plantes sont cultivées dans différents types de sol 11,12.
Le protocole suivant fournit étape par étape sur la façon de mettre en place un système hydroponique dans un laboratoire. Ce protocole a été optimisé pour Arabidopsis thaliana (Arabidopsis); Cependant, même dans certains cas, des mesures identiques peuvent être utilisés pour cultiver d'autres espèces.
La santé des plants utilisés pour la culture hydroponique est l'un des principaux facteurs qui contribuent à la réussite d'une expérience hydroponique. Stérilisation des instruments, des semences et des milieux de culture jouent également un rôle important dans la réduction du risque de contamination et de fournir un bon point de départ pour les plantes avant la transplantation dans le système hydroponique. Un environnement de travail avec des installations comme un autoclave, hotte, chambre froide (4 ° C), et l'espace de croissance avec des conditions contrôlées (intensité de la lumière et température) est nécessaire pour une bonne mise en place expérimentale.
La fraîcheur de la solution nutritive détermine également la santé des plantes et à son tour, détermine le succès d'une expérience hydroponique. Puisque l'eau évapore plus rapidement sous l'éclairage direct, la concentration des sels va changer en raison d'une réduction du volume total de la solution; il est donc préférable de changer la solution hydroponique au moins deux fois par semaine. Toutefois, si de grands conteneurs, profondséquipé d'un système de pompe à air sont utilisés, il peut ne pas être nécessaire de remplacer la solution nutritive pour les expériences qui sont de courte durée. Notez que dans le cas d'Arabidopsis , nous avons utilisé des navires Magenta (77 mm de largeur x 77 mm de longueur x 97 mm de hauteur) , mais d' autres, des récipients plus grands peuvent également être utilisés pour accueillir les grandes usines.
Pour les chercheurs intéressés par les éléments nutritifs des plantes, des expériences hydroponiques offrent un cadre unique pour tester des phénotypes et des réponses végétales à différentes disponibilité des éléments nutritifs 17. En manipulant les concentrations des éléments d'intérêt, les chercheurs peuvent mettre en place différentes expériences pour tester les effets de la suffisance, la carence ou des concentrations toxiques de nutriments essentiels et non essentiels. Par rapport au système à base de sol, le système hydroponique fournit un milieu nutritif plus homogène sur les plantes avec moins de risque de maladies transmises par le sol. En outre, les deux racines et des pousses des tissus peuvent être prélevés et séparés facilementpour d'autres analyses sur des tissus végétaux spécifiques.
Dans la section représentative, nous avons introduit deux exemples dans lesquels un système hydroponique simple a été utilisé pour des études plus détaillées sur la nutrition des plantes. Dans le premier exemple, par la culture de plantes sur un gradient de concentration en zinc, nous avons pu montrer le niveau de contrôle qui peut être atteint sur la composition nutritive en utilisant ce système hydroponique. Les plantes cultivées avec 7 uM Zn ont augmenté beaucoup plus vigoureusement par rapport aux plantes cultivées dans 50 uM de Zn, tandis que les plantes cultivées sans Zn supplémentaire ajouté un retard de croissance par rapport aux plantes cultivées avec 7 uM Zn. Cela est en partie due à la longueur du temps, les plantes ont été autorisés à se développer dans des conditions suffisantes; l'élimination précoce de Zn par les médias est susceptible d'induire des symptômes plus forts zinc carence. En appliquant le même principe, nous avons été capables d'induire une toxicité en utilisant le métal non essentiel, du cadmium, qui est connue pour altérer la croissance des plantes.
Dans la secondeAinsi, la composition élémentaire de Col-0 racines et des pousses traitées avec 20 uM de Cd pendant 72 heures a été déterminée par ICP-OES. Nous avons trouvé des différences dans tous les métaux détectés entre les racines et les pousses. Macro-éléments ont été trouvés dans des concentrations plus élevées dans les pousses par rapport aux racines, tandis que le fer et le zinc ont été trouvés plus abondant dans les racines. Cadmium suivi une tendance similaire au fer et de zinc, étant plus concentrée dans les racines par rapport aux pousses. Ces données renforcent l'idée que les feuilles et les racines fournissent différentes informations sur l'état de ionome de la plante et donc à la fois les tissus doivent être analysés séparément pour comprendre la nutrition minérale et la composition au niveau de la plante entière. Outre ICP-OES plusieurs méthodes spectroscopiques telles que la spectroscopie d' absorption atomique (AAS) ou plasma à couplage inductif spectrométrie de masse (ICP-MS) peut également être utilisé pour mesurer la composition élémentaire (ionome) des tissus végétaux 18-20.
Dans un hydroponiexpérience de c, les symptômes et les phénotypes de plantes répondant à différentes conditions nutritives représentent le début de ce qui pourrait être étendu à des analyses plus élaborées telles que l'expression des gènes (transcriptomique) et de l'abondance des protéines (protéomique). Ces techniques -omic sont les clés pour intégrer le métabolisme des plantes par des processus d'une manière spécifique d' un tissu à considérer.
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 | ||
Altro | |||
Ethanol | Fisher Scientific | A995-4 | Reagent Alcohol |
Cadmium Chloride (CdCl2) | Sigma-Aldrich | 10108-64-2 |