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.
Substraatteeltsysteem zijn gebruikt als een van de standaardmethoden voor plantenbiologie onderzoek en worden ook gebruikt in de productie van diverse gewassen, zoals sla en tomaat. Binnen de plant onderzoek gemeenschap, hebben tal van hydrocultuur systemen zijn ontworpen om te planten reacties op biotische en abiotische stress te bestuderen. Hier presenteren we een hydrocultuur protocol dat gemakkelijk in laboratoria geïnteresseerd zijn in het nastreven van studies over planten minerale voeding kan worden geïmplementeerd.
Dit protocol beschrijft de hydrocultuur systeem opgezet in detail en de voorbereiding van plantaardig materiaal voor een succesvolle experimenten. De meeste van de in dit protocol beschreven materialen kunnen worden gevonden buiten de wetenschappelijke toeleverende bedrijven, waardoor de set-up voor de hydrocultuur experimenten goedkoper en handig.
Het gebruik van een hydrocultuurkamer systeem voordeligst situaties waarin de voedingsmedia moeten goed worden gecontroleerd en onbeschadigde roots nodig voor downstream-toepassingen om geoogst te worden. We tonen ook hoe nutriëntconcentraties kan worden aangepast om planten responsen op zowel essentiële nutriënten en toxische niet-essentiële onderdelen induceren.
Planten zijn een van de weinige organismen die alle vereiste metabolieten van anorganische ionen, water en CO 2 met behulp van de energie die van de zon 1 kan synthetiseren. Hydrocultuur is een werkwijze voor het kweken van planten die gebruik maakt van dit feit door alle voedingsmiddelen in de anorganische vorm, in een vloeibare oplossing met of zonder vaste media. Hydrocultuur systemen zijn uitgebreid gebruikt door wetenschappers voor het verkennen van voedingsstoffen eisen en ook de toxiciteit van sommige elementen in Arabidopsis en andere plantensoorten 2-5. Bijvoorbeeld, Berezin et al. 3, Conn et al. 4, en Alatorre-Cobos et al. 2 gebruikt hydrocultuur systemen en verschillende plantensoorten, waaronder tomaat en tabak, voldoende plantaardige biomassa voor minerale analyse 2-4 te genereren. Industriële toepassingen van hydrocultuur zijn ook ontwikkeld voor gewassen zoals tomaat en sla 6. Hier hebben we oVERZICHT het gebruik van hydrocultuur in het kader van onderzoek mogelijke variaties in de beschikbare methoden en tenslotte vormen een systeem dat gemakkelijk schaalbaar en nuttig voor onderzoekslaboratoria bijzonder interesseert installatie minerale voeding kan zijn.
Hydrocultuur systemen zorgen voor een gemakkelijke scheiding van wortel weefsel en nauwkeurige controle van de beschikbaarheid van voedingsstoffen
Hydrocultuur biedt een aantal voordelen ten opzichte van de bodem-gebaseerde systemen. Wanneer verwijderd uit de bodem, wordt wortel weefsel vaak mechanisch afgeschoven waardoor weefsel verloren of schade. Dit geldt met name voor fijne wortelstructuren zoals zijwortels en wortelharen. Hydrocultuur systemen die geen inerte deeltjes media weet te benutten toestaan dat een minder invasieve scheiding van wortel en schieten weefsels.
In bodem, voedingsstoffen biologische veranderingen door bodem matrix als voedingsstoffen binden aan bodemdeeltjes het creëren van micro-omgevingen in de bodem. dit heterogeneity kan een extra niveau van complexiteit toe te voegen in experimenten nodig een nauwkeurige controle over de externe concentratie van nutriënten of andere moleculen. In tegenstelling, de hydrocultuur oplossing homogeen en kan eenvoudig worden vervangen in de loop van het experiment.
Varianten van hydrocultuur systemen
Alle hydrocultuur culturen rekenen op een voedingsoplossing aan essentiële elementen om de plant te leveren. Naast de voedingsstoffen, de wortels moet ook een constante aanvoer van zuurstof. Wanneer wortels zuurstofloos worden ze niet in staat zijn tot het nemen van en het vervoer metabolieten naar de rest van de plant lichaam 7. Substraatteeltsysteem kunnen worden ingedeeld op basis van hoe zij zuurstof en andere voedingsstoffen leveren aan de wortels: zuurstoflevering door verzadigen van de oplossing met lucht (klassieke hydrocultuur), door de wortels niet ondergedompeld te allen tijde, of doordat de wortels volledig worden blootgesteld de lucht (aeroponics) 8. In hydrocultuur,voedingsoplossing kan verzadigd met lucht voorafgaand aan het gebruik en vaak vervangen, of lucht kan continu worden geleverd in de oplossing over de levenscyclus van de plant 9. Als alternatief kunnen planten worden gekweekt op media inert (bijvoorbeeld steenwol, vermiculiet of kleikorrels) en onderworpen aan nat-droog cycli Druppelapplicatie oplossing door de media of periodiek onderdompelen van het substraat in de voedingsoplossing 10. In aeroponics zijn wortels besproeid met de voedingsoplossing uitdroging te voorkomen.
Nadelen van hydrocultuur systemen
Hoewel hydrocultuur culturen bieden duidelijke voordelen ten opzichte van de bodem-gebaseerde systemen, zijn er een aantal overwegingen die moeten worden erkend bij de interpretatie van de gegevens. Zo hydrocultuursystemen planten blootgesteld aan omstandigheden die kunnen worden beschouwd als niet-fysiologische. Daarom fenotypes of plantaardige reacties gedetecteerd met behulp van hydrocultuur systemen kunnen variëren in omvang when planten worden gekweekt in alternatieve systemen (bijvoorbeeld grond of-agar gebaseerde media). Deze overwegingen zijn niet uniek voor hydrocultuur systemen; differentiële reacties kunnen ook worden waargenomen als planten worden gekweekt in verschillende grondsoorten 11,12.
Het volgende protocol biedt stap-voor-stap instructies over hoe het opzetten van een hydrocultuur systeem in een laboratorium. Dit protocol is geoptimaliseerd voor Arabidopsis thaliana (Arabidopsis); echter vergelijkbaar of in sommige gevallen dezelfde stappen kan worden gebruikt om andere soorten groeien.
De gezondheid van zaailingen voor hydrocultuur is een van de belangrijkste factoren die bijdragen aan het succes van een hydroponic experiment. Steriliseren van instrumenten, zaden en kweekmedia ook een belangrijke rol spelen bij het verminderen van het risico van contaminatie en een goede start voor de planten voordat ze worden getransplanteerd in de watercultuur. Een werkomgeving met faciliteiten zoals een autoclaaf, zuurkast, koude kamer (4 ° C), en groei ruimte met gecontroleerde omstandigheden (lichtintensiteit en temperatuur) is nodig om een goede experimentele opstelling.
De frisheid van de voedingsoplossing bepaalt ook de gezondheid van planten en op zijn beurt bepalend voor het succes van een hydrocultuur experiment. Aangezien water sneller verdampt onder directe verlichting, wordt de zoutconcentratie veranderen vanwege een afname van totale oplossing; Daarom is het het beste om de hydrocultuur oplossing ten minste twee keer per week veranderen. Echter, als grote, diepe containersvoorzien van een luchtpomp systeem gebruikt is het niet nodig zijn om de voedingsoplossing voor experimenten die van korte duur zijn vervangen. Merk op dat bij Arabidopsis gebruikten we Magenta vaten (77 mm breed x 77 mm lengte x 97 mm hoogte), maar ook grotere containers kunnen ook worden gebruikt om grotere planten huisvesten.
Voor onderzoekers die geïnteresseerd zijn in voedingsstoffen voor planten, hydrocultuur experimenten bieden een unieke omgeving te planten fenotypes en reacties te testen op verschillende beschikbaarheid van voedingsstoffen 17. Door het manipuleren van de concentraties van de elementen plaats kunnen onderzoekers u verschillende experimenten om de effecten van toereikendheid, deficiëntie of toxische concentraties van essentiële en niet-essentiële voedingsstoffen testen. Vergeleken met de bodem systeem, de hydrocultuur systeem een homogener medium om de planten met minder risico op bodemziekten. Bovendien kunnen zowel wortel en schieten weefsels worden geoogst en gemakkelijk uit elkaarvoor verdere analyses op specifieke plantaardige weefsels.
In het representatief gedeelte, introduceerden we twee voorbeelden waarin een eenvoudige hydrocultuur systeem werd gebruikt voor meer gedetailleerde studies over plantenvoeding. In het eerste voorbeeld, door het kweken van planten op een zinken concentratiegradiënt, konden we het controleniveau die kan worden bereikt op voedingssamenstelling met deze hydrocultuursysteem illustreren. Planten met 7 pM Zn groeiden veel krachtiger dan planten gegroeid in 50 pM Zn, terwijl planten zonder extra Zn toegevoegd werden belemmerd vergeleken met planten met 7 pM Zn. Dit is gedeeltelijk te wijten aan de tijd werden de planten kunnen groeien onder voldoende omstandigheden; eerdere verwijdering van Zn vanuit de media waarschijnlijk sterker zink-deficiëntie symptomen induceren. Toepassing van hetzelfde principe, konden we toxiciteit induceren via de niet-essentiële metaal, cadmium, waarvan bekend is dat plantengroei beïnvloeden.
In de secondeBijvoorbeeld, de elementaire samenstelling van Col-0 wortels en scheuten behandeld met 20 uM CD voor 72 uur werd bepaald door ICP-OES. We vonden verschillen in alle gedetecteerde metalen tussen de wortels en scheuten. Macro-elementen gevonden in hogere concentraties in de scheuten opzichte van de wortels, terwijl ijzer en zink overvloediger wortels in gevonden. Cadmium volgde een vergelijkbaar patroon ijzer en zink, die meer geconcentreerd in wortels opzichte schiet. Deze gegevens versterken het idee dat de bladeren en wortels bieden verschillende informatie over het ionome status van de plant en dus zowel weefsels moeten apart worden geanalyseerd om minerale voeding en compositie te begrijpen op het hele plant niveau. Naast ICP-OES verschillende spectroscopische methoden zoals atomaire absorptiespectroscopie (AAS) of inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie (ICP-MS) kan ook worden gebruikt om de elementaire samenstelling (ionome) van plantenweefsels 18-20 te meten.
In een hydroponic experiment, de symptomen en de fenotypes van planten reageren op verschillende voedingsstoffen omstandigheden vertegenwoordigen het begin van wat zou kunnen worden uitgebreid tot meer uitgebreide analyses uitgevoerd, zoals genexpressie (transcriptomics) en eiwit overvloed (proteomics). Deze technieken zijn -omic sleutels plantenmetabolisme integreren door te overwegen processen op een weefselspecifieke wijze.
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 |