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.
水耕システムは、植物生物学の研究のための標準的な方法の一つとして利用されており、また、レタス、トマトなど、いくつかの作物のための商業生産に使用されています。植物研究コミュニティの中で、数多くの水耕システムは、生物的および非生物的ストレスに対する植物の応答を研究するために設計されています。ここでは、簡単に植物ミネラルの栄養についての研究を追求することに興味の研究室で実施することができる水耕プロトコルを提示します。
このプロトコルは、詳細に設定水耕システムと成功の実験のための植物材料の調製を記載します。このプロトコールに記載された材料のほとんどは、安価で便利な水耕実験用セットを構成する、科学的供給会社外に見出され得ます。
水耕成長システムの使用は、栄養培地はよく制御されたときに完全なROする必要がある状況において最も有利です。OTSは、下流の用途のために回収する必要があります。我々はまた、必須栄養素及び毒性の非本質的な要素の両方に対する植物応答を誘導するために修飾することができる方法の栄養素の濃度を示しています。
植物は日1から捕獲エネルギーを用いた無機イオン、水とCO 2から必要なすべての代謝物を合成することができるいくつかの生物の一つです。水耕栽培は、固体培地を含むまたは含まない溶液中で、それらの無機形態において、栄養素の全てを提供することにより、この事実を利用して成長する植物の方法です。水耕システムが広範囲に栄養要件ともシロイヌナズナや他の植物種2-5のいくつかの要素の毒性を探索する科学者によって使用されています。例えば、Berezin ら 3は 、コネティカットら 4、及びAlatorre-コボスら 2は、鉱物分析2-4に十分な植物バイオマスを生成するために、トマト、タバコなどの水耕システム、およびいくつかの植物種を使用しました。水耕栽培の産業アプリケーションでも、トマト、レタス6などの作物のために開発されています。ここでは、O研究、利用可能な方法で可能なバリエーションの文脈での水耕栽培の使用をutline、そして最終的に植物ミネラル栄養の研究に興味を持って研究室のために容易に拡張し、有用であることができるシステムを提案します。
水耕システムは、ルート組織の容易な分離と栄養可用性の正確な制御を可能に
水耕栽培は、土壌ベースのシステムに対していくつかの利点を提供しています。土壌から除去すると、根組織は、多くの場合、機械的に組織または損傷の損失を引き起こして剪断されます。これは、側根や根毛として細根構造に特に当てはまります。不活性粒状メディアを利用しない水耕システムでは、ルートの低侵襲性分離を可能にし、組織を撃ちます。
土壌システムでは、栄養素として土壌マトリックス全体栄養生物学的利用能の変化は、土壌内の微小環境を作成する土壌粒子と結合します。この時間eterogeneityは、栄養素または他の分子の外部濃度に正確な制御を必要とする実験に複雑の余分なレベルを追加することができます。対照的に、水耕溶液が均質であり、容易に実験の過程全体を通して交換することができます。
水耕システムのバリアント
すべての水耕培養物は、植物に不可欠な要素を提供するために栄養溶液に依存しています。栄養素に加えて、根はまた、酸素の安定供給を必要としています。根が無酸素になると、彼らは植物体7の残りの部分に代謝物を取ると輸送することができません。 、または根が完全に露出させることができるようにすることで、酸素供給を常に根を浸漬しないことによって、空気(古典的な水耕栽培)で溶液を飽和させることによって:水耕システムは、それらが根に酸素や他の栄養素を提供する方法に基づいて分類することができますエア(空中栽培)8。水耕栽培では、栄養溶液は、使用前に空気で飽和させ、頻繁に変更され、または空気を連続プラント9のライフサイクルにわたって溶液中に供給することができることができます。あるいは、植物は、不活性媒体( 例えば 、ロックウール、バーミキュライト、またはクレーペレット)上に成長させ、湿潤乾燥サイクルをメディアを通して溶液を滴下または周期的栄養溶液10中に基板を浸漬することによって行ってもよいです。空中栽培では、根は乾燥を防ぐために、栄養溶液を噴霧します。
水耕システムの欠点
水耕培養液が土壌ベースのシステム上で明確な利点を提供していますが、データを解釈する際に確認する必要がありますいくつかの考慮事項があります。例えば、水耕システムは、非生理的として見ることができる条件に植物をさらします。したがって、水耕システムを使用して検出した表現型または植物の応答は、WHE大きさが変化してもよいですn個の植物は、代替システム( 例えば、土壌または寒天ベースのメディア)で増殖させます。これらの考慮事項は、水耕システムのための固有のものではありません。植物が土壌11,12の異なるタイプの中で増殖される場合、差分応答も観察することができます。
以下のプロトコルは、実験室で水耕システムを設定する方法について順を追って説明します。このプロトコルは、 シロイヌナズナ ( シロイヌナズナ )に最適化されています。しかし、類似のまたはいくつかの場合には同一のステップは、他の種を成長させるために使用することができます。
水耕栽培に使用する苗木の健康は水耕実験の成功に貢献する主要な要因の一つです。楽器、種子、および培養培地の滅菌はまた、汚染のリスクを減らすのに重要な役割を果たし、それらが水耕システムに移植する前に、植物のための良いスタートを提供します。良好な実験のセットアップのために、このような制御された条件(光強度および温度)でオートクレーブ、ヒュームフード、冷室(4℃)、および成長スペースなどの設備と作業環境が必要です。
栄養液の鮮度は、植物の健康を決定し、順番に水耕実験の成功を決定します。水が直接照明の下でより速く蒸発するので、塩の濃度は、全溶液量の減少に起因して変化します。したがって、それは、少なくとも週に二回水耕溶液を変更するのが最善です。しかし、大規模な、深い容器であれば持続時間が短い実験のための栄養溶液を交換することが必要ではないかもしれない使用される空気ポンプシステムを備えます。 シロイヌナズナの場合、我々はマゼンタ容器(77ミリメートル幅のx 77ミリメートルの長さのx 97ミリメートルの高さ)を使用するが、他の、より大きなコンテナが大きい植物を収容するためにも使用することができることに注意してください。
植物栄養素に興味を持って研究者のために、水耕実験は異なる栄養利用17に植物の表現型および応答をテストするためのユニークな設定を提供します。関心の元素の濃度を操作することによって、研究者は十分、欠損、または必須及び非必須栄養素の毒性濃度の効果をテストするために種々の実験を設定することができます。土壌ベースのシステムと比較すると、水耕システムは、土壌伝染性疾患のリスクが少ないと植物へのより均一な栄養培地を提供します。また、両方の根およびシュート組織を採取し、容易に分離することができます特定の植物組織上のさらなる分析のために。
代表的なセクションでは、簡単な水耕システムが植物栄養に関するより詳細な研究のために使用された二つの例を紹介しました。最初の例では、亜鉛の濃度勾配で植物を成長させることにより、我々は、この水耕システムを使用して栄養組成物で達成可能な制御レベルを示すことができました。余分なZnがいじけた添加せずに植物が7μMZnが栽培された植物と比較して、成長しながら7μMZnが栽培された植物は、50μMのZnの中で成長した植物に比べてはるかに活発に成長しました。これは、植物が十分な条件下で成長させた時間の長さに一部ました。メディアからのZnの以前の除去は、より強力な亜鉛欠乏の症状を誘発する可能性があります。同じ原理を適用すると、我々は、植物の成長を損なうことが知られている非必須金属、カドミウムを使用して毒性を誘導することができました。
第二には例は、72時間、20μMのCdで処理されたCOL-0根およびシュートの元素組成をICP-OESにより決定しました。私たちは根と芽の間で検出されたすべての金属の違いを発見しました。鉄と亜鉛は根においてより豊富発見された一方でマクロ要素は、根に比べて芽が高い濃度で見出されました。カドミウムは新芽に比べて根におけるより濃縮され、鉄と亜鉛と同様のパターンに従いました。これらのデータは、葉と根は植物のionome状況に関するさまざまな情報を提供するため、両方の組織は、植物全体レベルでのミネラル栄養や組成を理解するために別々に分析する必要があるという考えを強化します。このような原子吸光分光法(AAS)または誘導結合プラズマ質量分析(ICP-MS)のようなICP-OES、いくつかの分光法の他にも、植物の元素組成(ionome)18-20の組織を測定することができます。
hydroponiでC実験、異なる栄養条件に応答する植物の症状と表現型は、より精巧なに拡張することができるものの始まりは、このような遺伝子発現(トランスクリプトミクス)およびタンパク質存在量(プロテオミクス)として分析を表します。これら-omic技術は、組織特異的な様式でのプロセスを考慮することにより、植物の代謝を統合するためのキーです。
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 |