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.
Hydroponiska system har använts som en av de standardmetoder för växtbiologi forskning och används även i kommersiell produktion för flera grödor, inklusive sallad och tomat. Inom anläggningen forskarsamhället, har många hydroponiska system utformats för att studera växt svar på biotiska och abiotisk stress. Här presenterar vi en hydroponiska protokoll som lätt kan genomföras i laboratorier som är intresserade av att fullfölja studier på växt mineral näring.
Detta protokoll beskriver hydro som inrättats i detalj och framställningen av växtmaterial för framgångsrika experiment. De flesta av de material som beskrivs i detta protokoll kan hittas utanför vetenskapliga leverantörsföretag, vilket gör inrättats för hydro experiment billigare och bekvämare.
Användningen av ett hydroponiska tillväxtsystem är mest fördelaktigt i situationer där de näringsmedia måste vara väl kontrollerad och när intakta roots måste skördas för tillämpningar efter. Vi visar också hur näringskoncentrationer kan modifieras för att inducera växt svar på både viktiga näringsämnen och giftiga icke-väsentliga delar.
Växter är bland de få organismer som kan syntetisera alla nödvändiga metaboliter från oorganiska joner, vatten och CO2 med hjälp av energi fångas från solen en. Hydroponics är en metod för odling av växter som drar nytta av detta faktum genom att tillhandahålla alla de näringsämnen, i sin oorganisk form, i en vätskelösning med eller utan fasta medier. Hydroponiska system har i stor utsträckning använts av forskare för att utforska näringsbehov samt toxiciteten hos vissa element i Arabidopsis och andra växtarter 2-5. Till exempel, Berezin et al. 3, används et al. Conn 4, och et al. Alatorre-Cobos två hydroponiska system och flera växtarter inklusive tomat och tobak, för att generera tillräckligt med växtbiomassa för mineralanalys 2-4. Industriella tillämpningar av hydroponics har också utvecklats för grödor som tomat och sallad 6. Här, vi outline användningen av hydro inom ramen för forskning, möjliga variationer i tillgängliga metoder, och slutligen fram ett system som kan vara skalbar och användbar för forskningslaboratorier intresserade av att studera växt mineral näring.
Hydroponiska system möjliggör enkel separation av rot vävnad och exakt styrning av näringsämnen tillgänglighet
Hydrokultur erbjuder flera fördelar jämfört markbaserade system. När de tas bort från jord, är roten vävnad ofta mekaniskt klippt leda till förlust av vävnad eller skada. Detta gäller särskilt för fina rot strukturer såsom laterala rötter och rot hårstrån. Hydroponiska system som inte utnyttjar ett inert partikelformigt media tillåter en mindre invasiv separering av rot- och skottvävnader.
I jordsystem, närings biotillgänglighet förändringar under jordmatrisen som näringsämnen binder till jordpartiklar skapar mikromiljöer i marken. detta heterogeneity skulle kunna lägga till en extra nivå av komplexitet i experiment som behöver en exakt kontroll på den yttre koncentrationen av näringsämnen eller andra molekyler. Däremot är den hydro lösning homogen och kan enkelt bytas ut under loppet av experimentet.
Varianter av hydroponiska system
Alla hydroponiska odlingar förlita sig på en näringslösning för att leverera väsentliga delar till växten. Förutom de näringsämnen, rötterna behöver också en stadig tillförsel av syre. När rötter blir syrefria de är oförmögna att ta upp och transport metaboliter till resten av anläggningen kroppen 7. Hydroponiska system kan klassificeras baserat på hur de levererar syre och andra näringsämnen till rötterna: syretillförsel genom att mätta lösningen med luft (klassiska hydroponics), genom att inte dränka rötterna hela tiden, eller genom att låta rötterna att vara helt utsatt för luften (aeroponics) 8. I hydroponics,näringslösning kan vara mättad med luft före dess användning och ändras ofta, eller luft kan tillföras kontinuerligt i lösningen över livscykeln av anläggningen 9. Alternativt kan växterna också odlas på inert medium (t.ex. mineralull, vermikulit, eller lera pellets) och utsattes för våt-torra cykler genom dropplösning via media eller period dränka substratet i näringslösningen 10. I aeroponics är rötter besprutas med näringslösningen för att förhindra uttorkning.
Nackdelar med hydroponiska system
Även hydro kulturer har tydliga fördelar jämfört med markbaserade system, finns det några överväganden som måste kvitteras vid tolkning av data. Till exempel, hydroponiska system utsätta växter villkor som kan ses som icke-fysiologiska. Därför fenotyper eller växt svar detekteras med hjälp av hydroponiska system kan variera i storlek when växter odlas i alternativa system (t.ex. jord eller agar-baserade medier). Dessa överväganden är inte unika för hydroponiska system; differentialsvar kan också iakttas om växterna odlas i olika typer av jord 11,12.
Följande protokoll ger steg-för-steg-instruktioner om hur man ställer in en hydroponiska system i ett laboratorium. Detta protokoll har optimerats för Arabidopsis thaliana (Arabidopsis); dock jämförbara eller i vissa fall identiska steg kan användas för att odla andra arter.
Hälsan hos plantor som används för hydro är en av de viktigaste faktorerna som bidrar till framgång för en hydroponiska experiment. Sterilisering av instrument, frön och odlingsmedier spelar också en viktig roll för att minska risken för kontaminering och ger en bra start för växterna innan de transplanteras in i hydroponiska system. En arbetsmiljö med faciliteter såsom en autoklav, dragskåp, kallt rum (4 ° C), och tillväxtutrymme med kontrollerade förhållanden (ljusintensitet och temperatur) är nödvändigt för en god experimentell inrättas.
Färskhet näringslösningen bestämmer också växtskydds- och i sin tur avgör framgången för en hydroponiska experiment. Eftersom vatten avdunstar snabbare under direkt belysning, kommer koncentrationen av salter ändras på grund av en minskning av den totala lösningsvolymen; därför är det bäst att ändra hydroponiska lösningen minst två gånger i veckan. Men om stora, djupa behållareutrustade med ett luftpumpsystem användes, kan det inte vara nödvändigt att ersätta näringslösningen för experiment som är korta i varaktighet. Observera att vi i fallet Arabidopsis användas Magenta fartyg (77 mm bredd x 77 mm längd x 97 mm höjd) men andra, större behållare kan också användas för att rymma större anläggningar.
För forskare som är intresserade av växtnäring, hydro experiment ger en unik miljö för att testa växt fenotyper och svar på olika näringsämnen tillgänglighet 17. Genom att manipulera koncentrationerna av elementen av intresse, kan forskarna ställa in olika experiment för att testa effekterna av tillräcklighet, brist, eller giftiga koncentrationer av essentiella och icke-essentiella näringsämnen. Jämfört med den jordbaserade systemet tillhandahåller hydroponiska system en homogenare näringsmedium till växterna med mindre risk för jordburna sjukdomar. Dessutom kan både rot- och skottvävnader skördas och separeras lättför ytterligare analyser om specifika växtvävnader.
I den representativa delen introducerade vi två exempel där en enkel hydroponiska system användes för mer detaljerade studier på växtnäring. I det första exemplet, genom att odla växter på en zink koncentrationsgradient, kunde vi att illustrera nivån av kontroll som kan åstadkommas på näringssammansättning med hjälp av denna hydroponiska system. Växter som odlas med 7 iM Zn växte mycket mer kraftfullt än växter som odlas i 50 iM Zn, medan växter som odlas utan extra Zn tillsatt var hämmad jämfört med växter som odlas med 7 iM Zn. Detta berodde delvis på grund av att den tid plantorna fick växa under tillräckliga betingelser; tidigare avlägsnande av Zn från media är sannolikt att framkalla starkare zink-brist symptom. Tillämpning av samma princip kunde vi inducera toxicitet med användning av den icke-essentiella metall, kadmium, som är känd för att försämra växternas tillväxt.
I den andraExempelvis var den elementära sammansättningen av Col-0 rötter och skott behandlades med 20 ^ M Cd för 72 timmar bestämdes med ICP-OES. Vi hittade skillnader i alla upptäckta metaller mellan rötter och skott. Makro element hittades i högre koncentrationer i skotten i förhållande till rötterna, medan järn och zink påträffades rikligare i rötter. Kadmium följde ett liknande mönster som järn och zink, som är mer koncentrerad i rötter jämfört med skott. Dessa data förstärker tanken att blad och rötter ger olika information om ionome anläggningens status och därför båda vävnader måste analyseras separat för att förstå mineral näring och sammansättningen på hela anläggningsnivå. Förutom ICP-OES flera spektroskopiska metoder såsom Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) eller induktivt kopplad plasma-masspektrometri (ICP-MS) kan även användas för att mäta den elementära sammansättningen (ionome) av växtvävnader 18-20.
I en hydroponic experiment, symptom och fenotyper av växter som svarar mot olika näringsförhållanden utgör början på vad som skulle kunna utvidgas till mer utarbetade analyser såsom genuttryck (transkriptomik) och protein överflöd (proteomik). Dessa -omic tekniker är nycklar för att integrera växt metabolism genom att överväga processer i ett vävnadsspecifikt sätt.
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 | ||
Outro | |||
Ethanol | Fisher Scientific | A995-4 | Reagent Alcohol |
Cadmium Chloride (CdCl2) | Sigma-Aldrich | 10108-64-2 |