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.
sistemi idroponici sono state utilizzate come uno dei metodi standard per la ricerca Biologia Vegetale e sono utilizzati anche nella produzione commerciale per diverse colture, tra cui lattuga e pomodoro. All'interno della comunità di ricerca impianto, numerosi sistemi idroponici sono stati progettati per studiare le risposte delle piante agli stress biotici e abiotici. Qui vi presentiamo un protocollo idroponica che può essere facilmente implementato in laboratori interessati a perseguire studi sulla nutrizione minerale delle piante.
Questo protocollo descrive il sistema idroponico impostato in dettaglio e la preparazione di materiale vegetale per esperimenti di successo. La maggior parte dei materiali descritti in questo protocollo può essere trovato al di fuori società di fornitura scientifici, rendendo il set up per esperimenti idroponiche meno costoso e conveniente.
L'uso di un sistema di crescita idroponica è più vantaggiosa in situazioni in cui devono terreno nutritivo essere ben controllata e quando intatta roOTS devono essere raccolte per le applicazioni a valle. Abbiamo inoltre dimostrato come le concentrazioni di nutrienti può essere modificato in modo da indurre risposte pianta per entrambe le sostanze nutrienti essenziali e gli elementi non essenziali tossici.
Le piante sono tra i pochi organismi che possono sintetizzare tutti i metaboliti richiesti da ioni inorganici, acqua e CO 2 che utilizzano l'energia catturata dal sole 1. Hydroponics è un metodo di coltivazione di piante che sfrutta questo fatto fornendo tutti i nutrienti, nella loro forma inorganica, in una soluzione liquida con o senza supporto solido. Sistemi idroponici sono stati ampiamente utilizzati dagli scienziati per esplorare i requisiti nutrizionali e anche la tossicità di alcuni elementi in Arabidopsis e di altre specie vegetali 2-5. Per esempio, Berezin et al. 3, Conn et al. 4, e Alatorre-Cobos et al. 2 utilizzati sistemi idroponici e diverse specie di piante, tra cui pomodoro e tabacco, di generare sufficiente biomassa vegetale per l'analisi minerale 2-4. Applicazioni industriali di coltura idroponica sono stati sviluppati anche per le colture come il pomodoro e lattuga 6. Qui, outline l'uso idroponica nel contesto della ricerca, possibili variazioni metodi disponibili, e infine presentare un sistema che può essere facilmente scalabile ed utili per laboratori di ricerca interessati a studiare nutrizione minerale delle piante.
Sistemi idroponici permettono una facile separazione dei tessuti radice e il controllo preciso della disponibilità di nutrienti
Hydroponics offre diversi vantaggi rispetto ai sistemi basati sul suolo. Quando viene rimosso dal suolo, il tessuto radice è spesso tranciato meccanicamente causando la perdita di tessuto o di danni. Questo è particolarmente vero per le strutture di root sottili come le radici laterali e peli radicali. sistemi idroponici che non utilizzano un supporto particellare inerte, consentono una separazione meno invasiva di radice e sparare tessuti.
Nei sistemi di suolo, i cambiamenti dei nutrienti di biodisponibilità in tutta la matrice del suolo come nutrienti si legano alle particelle di terreno che creano microambienti all'interno del terreno. Questo heterogeneità potrebbe aggiungere un ulteriore livello di complessità in esperimenti che necessitano di un controllo preciso sulla concentrazione esterna di sostanze nutritive o di altre molecole. Al contrario, la soluzione idroponica è omogenea e può essere facilmente sostituito in tutto il corso dell'esperimento.
Varianti di sistemi idroponici
Tutte le colture idroponiche basano su una soluzione nutritiva per trasportare gli elementi essenziali alla pianta. Oltre alle sostanze nutritive, le radici anche bisogno di un rifornimento costante di ossigeno. Quando le radici diventano anossico non sono in grado di prendere e metaboliti di trasporto per il resto del corpo dell'impianto 7. sistemi idroponici possono essere classificati in base a come fornire ossigeno e altri nutrienti alle radici: l'apporto di ossigeno saturando la soluzione con l'aria (coltura idroponica classiche), non immergendo le radici in ogni momento, o permettendo alle radici essere completamente esposti a l'aria (aeroponica) 8. In coltura idroponica,soluzione nutriente può essere saturo di aria prima del suo utilizzo e sostituiti frequentemente, o aria può essere fornito in continuo nella soluzione durante il ciclo di vita della pianta 9. In alternativa, le piante possono essere coltivate su supporti inerti (ad esempio pellet, lana di roccia, vermiculite o argilla) e sottoposti a secco-umido cicli per gocciolamento una soluzione attraverso i media o periodicamente immergendo il substrato nella soluzione nutritiva 10. In aeroponica, le radici vengono spruzzati con la soluzione nutritiva per prevenire l'essiccamento.
Svantaggi di sistemi idroponici
Anche se le culture idroponiche offrono chiari vantaggi rispetto ai sistemi basati sul suolo, ci sono alcune considerazioni che devono essere riconosciuti quando si interpretano i dati. Per esempio, sistemi idroponici espongono impianti a condizioni che possono essere visti come non fisiologica. Pertanto, fenotipi o risposte delle piante rilevati utilizzando sistemi idroponici possono variare in grandezza when piante sono coltivate in sistemi alternativi (ad esempio, del suolo o dei media agar-based). Queste considerazioni non sono gli unici per i sistemi idroponici; risposte differenziali possono essere osservati anche se le piante sono coltivate in diversi tipi di terreno 11,12.
Il seguente protocollo fornisce istruzioni passo-passo su come impostare un sistema idroponico in un laboratorio. Questo protocollo è stato ottimizzato per Arabidopsis thaliana (Arabidopsis); tuttavia, simili o in alcuni casi passaggi identici possono essere utilizzati per crescere altre specie.
La salute delle piantine utilizzate per la coltura idroponica è uno dei principali fattori che contribuiscono al successo di un esperimento idroponica. Sterilizzazione degli strumenti, semi e terreni di coltura anche svolgere un ruolo importante nel ridurre il rischio di contaminazione e di fornire un buon inizio per le piante prima vengono trapiantate nel sistema idroponico. Un ambiente di lavoro con strutture come un'autoclave, cappa, fredda camera (4 ° C), e lo spazio di crescita con condizioni controllate (intensità luminosa e temperatura) è necessario per un buon sperimentale impostato.
La freschezza della soluzione nutritiva determina anche la salute delle piante e, a sua volta determina il successo di un esperimento idroponica. Poiché l'acqua evapora più velocemente sotto illuminazione diretta, la concentrazione di sali cambierà a causa di una riduzione del volume totale della soluzione; quindi è meglio cambiare la soluzione idroponica almeno due volte alla settimana. Tuttavia, se grandi contenitori profondidotato di un sistema di pompa di aria vengono utilizzati può non essere necessario sostituire la soluzione nutritiva per esperimenti che sono di breve durata. Si noti che in caso di Arabidopsis abbiamo utilizzato vasi Magenta (77 mm di larghezza x 77 mm di lunghezza x 97 mm di altezza), ma altri contenitori, più grandi possono essere utilizzati anche per ospitare impianti di maggiori dimensioni.
Per i ricercatori interessati a elementi nutritivi, esperimenti idroponici offrono un ambiente unico per testare fenotipi e le risposte della pianta a differenti disponibilità di nutrienti 17. Manipolando le concentrazioni degli elementi di interesse, i ricercatori possono impostare diversi esperimenti per testare gli effetti di sufficienza, la carenza o concentrazioni tossiche di nutrienti essenziali e non essenziali. Rispetto al sistema a base di terreno, il sistema idroponico fornisce un mezzo nutriente più omogenea agli impianti con meno rischi di malattie del terreno. Inoltre, sia radice e sparare tessuti possono essere raccolte e separate facilmenteper ulteriori analisi su tessuti vegetali specifici.
Nella sezione rappresentante, abbiamo introdotto due esempi in cui un semplice sistema idroponico è stato utilizzato per gli studi più dettagliati sulla nutrizione delle piante. Nel primo esempio, per la coltivazione di piante su un gradiente di concentrazione di zinco, siamo riusciti a illustrare il livello di controllo che può essere raggiunto sulla composizione nutriente utilizzando questo sistema idroponico. Le piante coltivate con 7 micron Zn è cresciuto molto più vigoroso rispetto a piante coltivate in 50 micron Zn, mentre le piante coltivate senza ulteriore Zn aggiunto sono stati stentata rispetto alle piante coltivate con 7 micron Zn. Questo è in parte a causa della lunghezza di tempo le piante sono state lasciate crescere in condizioni sufficienti; in precedenza la rimozione del Zn dai media rischia di indurre forti sintomi di zinco-carenza. Applicando lo stesso principio, siamo stati in grado di indurre tossicità utilizzando il metallo non essenziale, cadmio, che è noto per alterare la crescita delle piante.
Nel secondoad esempio, la composizione elementare di Col-0 radici e germogli trattati con 20 mM Cd per 72 ore è stata determinata mediante ICP-OES. Abbiamo trovato differenze in tutti i metalli rilevati tra radici e germogli. Macro-elementi sono stati trovati in concentrazioni più elevate nei germogli relativi alle radici, mentre il ferro e zinco sono stati trovati più abbondante nelle radici. Il cadmio ha seguito un modello simile a ferro e zinco, essendo più concentrata nelle radici rispetto ai germogli. Questi dati rafforzano l'idea che le foglie e le radici forniscono diverse informazioni sullo stato ionome della pianta e quindi entrambi i tessuti devono essere analizzati separatamente per capire nutrizione minerale e la composizione a livello di impianto complesso. Oltre ICP-OES diversi metodi spettroscopici, come spettroscopia di assorbimento atomico (AAS) o plasma accoppiato induttivamente spettrometria di massa (ICP-MS) può essere utilizzato anche per misurare la composizione elementare (ionome) di impianto dei tessuti 18-20.
In un hydroponic esperimento, i sintomi e fenotipi di piante che rispondono alle diverse condizioni di nutrienti rappresentano l'inizio di quello che potrebbe essere esteso in più elaborate analisi, come l'espressione genica (trascrittomica) e l'abbondanza di proteine (proteomica). Queste tecniche -omic sono le chiavi per integrare il metabolismo della pianta considerando i processi in maniera tessuto-specifica.
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 |