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.
מערכות הידרופוני כבר נוצלו כאחת השיטות הסטנדרטיות למחקר ביולוגיה הצמח משמשים גם בייצור מסחרי במשך כמה יבולים, כולל חסה ועגבנייה. בתוך קהילת מחקר הצמח, מערכות הידרופוני רבות עוצבו כדי ללמוד תגובות צמח לעקות ביוטיים אביוטי. כאן אנו מציגים פרוטוקול הידרופוני שניתן ליישם בקלות במעבדות מעוניינות לצאת ללימודים על תזונת מינרלי צמח.
פרוטוקול זה מתאר את מערכת הידרופוני להגדיר בפירוט והכנת חומר צמחי עבור ניסויים מוצלחים. רוב החומרים המתוארים בפרוטוקול זה ניתן למצוא מחוץ חברות אספקת ציוד מדעיות, מה שהופך את להגדיר לניסויים הידרופוני פחות יקר ונוח.
השימוש במערכת צמיחה הידרופוני הוא כדאי ביותר במצבים שבם התקשורת המזינה צריכה להיות מבוקרת היטב וכאשר ro ללא פגעOTS צריך להיות שנקטפו עבור יישומים במורד הזרם. אנחנו גם מדגימים כיצד ריכוזי מזין יכול להיות שונים כדי לגרום לתגובות צמח הוא חומרים מזינים חיוניים ואלמנטים שאינם חיוניים רעילים.
הצמחים הם בין הבודדים אורגניזמים שיכולים לסנתז כל מטבוליטים הנדרש יונים אנאורגניים, מים ו- CO 2 באמצעות אנרגיה שנתפסו מהשמש 1. הידרופוניקה היא שיטת גידול צמחים שמנצלת עובדה זו על ידי מתן כל החומרים מזינים, בצורתם האורגנית, בתמיסה נוזלית עם או בלי תקשורת מוצקה. מערכות הידרופוני נעשה שימוש נרחב על ידי מדענים לחקור דרישות ההזנה וגם את הרעילות של כמה אלמנטים ארבידופסיס ובמיני צמחים אחרים 2-5. למשל, ברזין ואח '. 3, קונטיקט et al. 4, ו Alatorre-קובוס et al. 2 השתמשו במערכות הידרופוני וכמה מיני צמחים כולל עגבניות וטבק, לייצר ביומסה במפעל מספיק לניתוח מינרלים 2-4. יישומים תעשייתיים של הידרופוניקה גם פותחו עבור גידולים כמו עגבניות וחסה 6. כאן, אנו outline השימוש הידרופוניקה בהקשר של מחקר, שינויים אפשריים משיטות, ולבסוף להציג מערכה שיכולה להיות להרחבה בקלות ושימושית עבור מעבדות מחקר מעוניינות ללמוד תזונת מינרלי צמח.
מערכות הידרופוני לאפשר הפרדה קלה של רקמת שורש שליטה מדויקת של זמינות מזינה
הידרופוניקה מציעה מספר יתרונות על פני מערכות מבוססות קרקע. כאשר יסירו מאדמה, רקמות השורש לעתים קרובות הוא טעון מכנית גורמת לאובדן של רקמות או נזק. זה נכון במיוחד עבור מבני שורש קנס כגון שורשים לרוחב ושערות שורש. מערכות הידרופוני שאינם לנצל מדיה חלקיקי אינרטי לאפשר הפרדה פחות פולשנית של שורש ולירות רקמות.
במערכות אדמה, שינויים הזמינות הביולוגית מזין ברחבי מטריקס אדמה כיסודות הזנה להיקשר חלקיקי אדמה יצירת מיקרו-סביבות בתוך האדמה. ח זהeterogeneity יכול להוסיף רמה נוספת של מורכבות בניסויים זקוקים שליטה מדויקת על הריכוז החיצוני של חומרים מזינים או מולקולות אחרות. לעומת זאת, הפתרון הידרופוני הוא הומוגני ניתן להחליף בקלות לאורך כל מהלך הניסוי.
נוסחים שונים של מערכות הידרופוני
כל התרבויות הידרופוני להסתמך על פתרון מזין לספק מרכיבים חיוניים לצמח. בנוסף חומרים מזינים, השורשים גם צריך אספקה קבועה של חמצן. כאשר השורשים להיות anoxic הם אינם יכולים לקחת מעלה מטבוליטים תחבורה לשאר הגוף צמח 7. מערכות הידרופוני ניתן לסווג המבוסס על איך הם מספקים חמצן וחומרים מזינים אחרים אל השורשים: אספקת החמצן על ידי להרוות הפתרון עם אוויר (הידרופוניקה קלאסית), בכך שלא השריית שורשים בכל עת, או בכך שהוא מאפשר את השורשים להיחשף לגמרי באוויר (aeroponics) 8. הידרופוניקה,פתרון תזונתי אפשר להרוות אוויר לפני השימוש בו שונה לעתים קרובות, או אוויר יכול להיות מסופק באופן רציף הפתרון על פני מחזור החיים של הצמח 9. לחלופין, צמחים יכולים גם להיות מבוגר על התקשורת אינרטי (למשל, rockwool, ורמיקוליט, או כדורי חימר) נתון רטוב-יבש מחזורים ידי נוטף פתרון באמצעות התקשורת או תקופתי השריית המצע בתמיסת המזון 10. בשנת aeroponics, שורשים מרוססים עם הפתרון המזין כדי למנוע התייבשות.
חסרונות של מערכות הידרופוני
למרות תרבויות הידרופוני מציעות יתרונות ברורים על פני מערכות מבוססות בקרקע, ישנם כמה שיקולים כי יש להכיר כאשר מפרשים את הנתונים. לדוגמא, מערכות הידרופוני לחשוף צמחי מצבים שעשויים להיראות כמו-פיסיולוגיים שאינו. לכן, פנוטיפים או תגובות צמח זוהו באמצעות מערכות הידרופוני עשויים להשתנות בהיקפו when צמחים גדלים במערכות חלופיות (למשל, קרקע או תקשורת מבוססת אגרה). שיקולים אלה אינם ייחודיים למערכות הידרופוני; תגובות הפרש ניתן לצפות גם אם צמחים גדלים בסוגים שונים של אדמת 11,12.
הפרוטוקול הבא מספק צעד אחר צעד הוראות כיצד להקים מערכת הידרופוני במעבדה. פרוטוקול זה ממוטב עבור thaliana ארבידופסיס (ארבידופסיס); עם זאת, דומה או במקרים מסוימים צעדים זהים ניתן להשתמש כדי לגדול מינים אחרים.
בריאותו של שתילים משמשים הידרופוניקה היא אחד הגורמים העיקריים התורמים להצלחה של ניסוי הידרופוני. עיקור של מכשירים, זרעים, תקשורת והתרבות גם לשחק תפקיד חשוב בהפחתת הסיכון של זיהום ולספק התחלה טובה עבור הצמחים לפני שהם מושתלים לתוך מערכת הידרופוני. סביבת עבודה עם מתקנים כגון מכסה מנוע חיטוי, קטר, בחדר קר (4 ° C), ומרחב צמיחה עם בתנאים מבוקרים (עוצמת אור וטמפרטורה) היא הכרחית עבור ניסוי טוב להגדיר.
הרעננות של הפתרון התזונתי גם קובע את בריאות הצמח בתורו קובע את ההצלחה של ניסוי הידרופוני. מאז המים מתאדים מהר תחת תאורה ישירה, ריכוז מלחים ישתנה עקב הפחתה של נפח פתרון כולל; ולכן עדיף לשנות הפתרון הידרופוני לפחות פעמיים בשבוע. עם זאת, אם מיכלים גדולים, עמוקיםמצויד במערכת משאבת אוויר משמש זה לא ייתכן שיהיה צורך להחליף את הפתרון התזונתי לניסויים כי הם קצרים משך. יש לשים לב כי במקרה של ארבידופסיס השתמשנו כלי מגנט (77 מ"מ רוחב x 77 מ"מ אורך x 97 מ"מ גובה) אך מכלים אחרים, גדולים יותר יכולים לשמש גם כדי להתאים צמחים גדולים.
עבור החוקרים מעוניינים חומרי הזנה לצמח, ניסויים הידרופוני לספק הגדרה ייחודית לבחון פנוטיפים צמח ותגובות לזמינות מזין שונים 17. על ידי מניפולציה של הריכוזים של האלמנטים של עניין, חוקרים יכולים להגדיר ניסויים שונים כדי לבחון את ההשפעה של שובע, חסר, או בריכוזים רעילים של חומרים מזינים חיוניים ו שאינם חיוניים. בהשוואה למערכת מבוססת הקרקע, מערכת הידרופוני מספקת מזין בינוני הומוגנית יותר לצמחים עם פחות סיכון של מחלות שמקורן בקרקע. בנוסף, הוא שורש ולירות רקמות ניתן לקצור להפריד בקלותעבור ניתוחים נוספים על רקמות צמח מבוקשות.
במקטע הנציג, הצגנו שתי דוגמאות בן מערכת הידרופוני פשוט שמשה מחקרים מפורטים יותר על תזונה מן הצומח. בדוגמא הראשונה, על ידי גידול צמחים על מפל ריכוזים אבץ, הצלחנו להדגים את רמת השליטה יכולה להיות מושגת על הרכב תזונתי באמצעות מערכת הידרופוני זה. צמחים גדלים עם 7 מיקרומטר Zn גדלו הרבה יותר נמרץ לעומת הצמחים גדלים 50 מיקרומטר Zn, בעוד צמחים גדלים ללא תוספת Zn שנוסף היה ננסיים לעומת הצמחים גדלים עם 7 מיקרומטר Zn. זה היה בין השאר בשל משך הזמן הצמחים הורשו לגדל תחת תנאים מספיקים; הסרה קודמת של Zn מהתקשורת עשויה לגרום לתסמיני אבץ-חסרים חזקים. החלתי אותו העיקרון, הצלחנו לגרום לרעילויות באמצעות המתכת שאינה חיונית, קדמיום, אשר ידוע לפגוע גידול צמחים.
במקרה השנילמשל, את הרכב היסודות של שורשי Col-0 ויורה שטופלו 20 מיקרומטר Cd במשך 72 שעות נקבע על ידי ICP-OES. מצאנו הבדלים כל המתכות זוהו בין שורשי יורה. אלמנטי מאקרו נמצאו ריכוזים גבוהים יותר היורה ביחס לשורשים, תוך נמצאו ברזל ואבץ שופעים יותר בשורשים. קדמיום התנהל בדפוס דומה ברזל ואבץ, להיות מרוכז יותר בשורשים לעומת יורה. נתונים אלה מחזקים את הרעיון כי עלים ושורשים לספק מידע שונה על מצב ionome של הצמח ולכן הוא הרקמות צריכות להיות מנותחות בנפרד כדי להבין תזונת רכב מינרלים ברמת הצמח כולו. מלבד ICP-OES מספר שיטות ספקטרוסקופיות כגון ספקטרוסקופיה אטומית הקליטה (AAS) או מצמידים אינדוקטיבי פלזמה ספקטרומטריית מסה (ICP-MS) יכול לשמש גם כדי למדוד את הרכב היסודות (ionome) של הצמח רקמות 18-20.
בעוד hydroponiניסוי ג, הסימפטומים פנוטיפים של צמחים להגיב לתנאים מזינים שונים מייצגים את ההתחלה של מה יכול להתארך ליותר פירט ניתוחים כגון ביטוי גנים (transcriptomics) ושפע חלבון (חקר חלבונים). טכניקות -omic אלו הן מפתחים לשלב חילוף חומרים בצמח על ידי בהתחשב בתהליכים באופן רקמות ספציפיות.
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 |