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.
수경 시스템은 식물 생물학 연구를위한 표준 방법의 하나로서 이용되었고, 또한 양상추와 토마토 등 여러 작물에 대한 상업 생산에 사용된다. 식물 연구 커뮤니티 내에서 다양한 수경 시스템은 생물과 비 생물 적 스트레스에 대한 식물의 반응을 연구하기 위해 설계되었습니다. 여기에서 우리는 쉽게 식물의 미네랄 영양에 대한 연구를 추구에 관심 실험실에서 구현 될 수있는 수경 프로토콜을 제시한다.
이 프로토콜은 상세 설정 수경 시스템 성공적인 실험 식물 물질의 제조를 설명한다. 이 프로토콜에 설명 된 자료의 대부분은 수경 실험 설정이 저렴하고 편리하게, 과학 공급 회사 외부에서 찾을 수 있습니다.
영양소 매체 때 그대로 RO 잘 제어되어야하고 여기서 수경 성장 시스템의 사용 상황에서 가장 유리한OTS는 다운 스트림 애플리케이션에 수확해야합니다. 우리는 또한 필수 영양소와 독성이 아닌 필수 요소 모두에 식물 응답을 유도하기 위해 수정 될 수있는 방법을 양분 농도를 보여줍니다.
식물은 태양 1에서 캡처 한 에너지를 사용하여 무기 이온, 물 및 CO 2에서 필요한 모든 대사 산물을 합성 할 수있는 몇 안되는 생물 중입니다. 수경법 또는 고체 배지없이 액체 용액에서 그들의 무기 형태 모든 영양소를 제공함으로써이 사실을 이용한다 식물 성장하는 방법이다. 수경 시스템은 광범위하게 영양 요구 사항과 일부 애기 장대의 요소와 다른 식물 종 2-5의 독성을 탐험 과학자들에 의해 사용되어왔다. 예를 들어, Berezin 등. 3, 코네티컷 등. 4, Alatorre-Cobos 등. 2 미네랄 분석 2-4에 충분한 식물 바이오 매스를 생성, 토마토와 담배 포함 수경 시스템과 여러 식물 종을 사용했다. 수경 재배의 산업 응용 프로그램은 또한 토마토 및 양상추 (6) 등의 작물이 개발되었다. 여기, 우리 오연구, 가능한 방법에 가능한 변화의 맥락에서 수경의 사용을 utline, 그리고 마지막으로 식물의 미네랄 영양을 공부에 관심이 연구소에 대한 쉽게 확장 가능하고 유용 할 수있는 시스템을 제시한다.
수경 시스템은 루트 조직을 쉽게 분리 및 영양 가용성을 정밀하게 제어 할 수 있도록
수경 재배는 토양 기반 시스템에 비해 여러 장점을 제공한다. 토양에서 제거하는 경우, 루트 조직은 종종 기계적으로 조직 손상의 손실을 초래 전단된다. 이 같은 측면 뿌리 루트 털이 미세 루트 구조에 특히 사실이다. 불활성 미립자 매체를 사용하지 않는 수경 시스템은 루트의 덜 침습적 분리를 허용하고 조직을 촬영합니다.
토양 시스템에서 영양분과 토양 매트릭스에 걸쳐 영양소의 생체 이용률의 변화는 토양 내의 미세 환경을 만드는 토양 입자에 결합한다. 이 시간eterogeneity 영양소 또는 다른 분자의 외부 농도의 정밀한 제어를 필요로하는 실험에서 복잡성의 추가 레벨을 추가 할 수 있습니다. 대조적으로, 수경 액은 균일하고 용이하게 실험 과정에 걸쳐 치환 될 수있다.
수경 시스템의 변형
모든 수경 배양 설비에 필수 요소를 전달하기위한 양액에 의존한다. 영양소 외에도 뿌리는 산소의 안정 공급을 필요로한다. 뿌리는 무산소 될 때 그들은 식물 체 (7)의 나머지 부분 및 운송 대사 산물을 차지 할 수 없습니다. 또는 뿌리가 완전히 노출 될 수 있도록하여 산소 공급을 항상 뿌리를 침지하지 않음으로써, 공기 (고전 수경)로 용액을 포화 기준 : 수경 시스템들은 뿌리 산소 및 기타 영양소를 제공하는 방식에 따라 분류 될 수있다 공기 (aeroponics) 8. 수경 재배에서,양액은 사용 전에 공기 포화 자주 변경 또는 공기 연속적 식물 (9)의 라이프 사이클에 걸쳐 용액에 공급 될 수 수있다. 또한, 식물은 불활성 매체 (예를 들면, 암면, 질석, 또는 점토 알갱이)에 성장 및 양액 (10)의 기판을 침지 주기적으로 미디어를 통해 솔루션을 적하 또는하여주기 건조를 습식 할 수있다. aeroponics에서 뿌리 탈수를 방지하기 위해 양액 분무된다.
수경 시스템의 단점
수경 문화 토양 기반 시스템에 비해 분명한 장점을 제공하지만, 데이터를 해석 할 때 인정해야합니다 몇 가지 고려 사항이 있습니다. 예를 들면, 수경 재배 시스템은 비 – 생리 학적으로 볼 수있는 상태에 식물을 노출. 따라서, 표현형 또는 식물 응답은 크기 갔지 다를 수 있습니다 수경 시스템을 이용하여 검출N 식물은 다른 시스템 (예를 들면, 토양, 한천 기반 미디어)에서 재배된다. 이러한 고려 사항은 수경 시스템에 고유하지 않습니다; 식물이 토양 (11, 12)의 다른 유형에서 성장하는 경우, 차동 응답도 관찰 할 수있다.
다음 프로토콜은 실험실에서 수경 시스템을 설정하는 방법에 대한 단계별 지침을 제공합니다. 이 프로토콜은 애기 장대 (Arabidopsis의)에 최적화되어있다; 그러나, 유사하거나 동일한 단계가 다른 종의 성장을 사용할 수있는 경우이다.
수경 재배에 사용되는 모종의 건강은 수경 실험의 성공에 기여하는 주요 요소 중 하나입니다. 악기, 종자, 및 배지의 살균은 오염의 위험을 감소 시키는데 중요한 역할을하고는 수경 재배 시스템에 이식하기 전에 식물 좋은 시작을 제공한다. 좋은 실험이 설정에 대한 이러한 통제 된 조건 (빛의 세기와 온도)와 오토 클레이브, 흄 후드, 냉 방 (4 ° C), 성장 공간 등의 시설을 갖춘 작업 환경이 필요합니다.
양액의 신선도는 식물 상태를 결정하고, 차례로 수경 실험의 성공 여부를 판정한다. 물이 직접 조명 하에서 빠르게 증발하기 때문에, 염 농도를 전체 용액 부피의 감소로 인해 변경된다; 그러므로 적어도 일주일에 두 번 수경 솔루션을 변경하는 것이 가장 좋습니다. 그러나, 큰, 깊은 용기의 경우지속 시간이 짧은 실험 양액을 교체하는 것이 필요하지 않을 수도 사용되는 공기 펌프 시스템을 갖추고. 애기 장대의 경우, 우리는 더 큰 식물 수용 마젠타 용기 (77mm 폭 X 길이 77mm X 97mm의 높이)하지만, 다른 더 큰 용기가 또한 사용될 수를 사용했다.
식물 영양소에 관심있는 연구자를 들어, 수경 실험은 다른 영양소 가용성 (17) 식물의 표현형과 응답을 테스트 할 수있는 독특한 설정을 제공합니다. 관심의 원소의 농도를 조정하여, 연구자들은 충분 결핍 또는 필수 및 비 필수 영양소의 농도를 독성의 효과를 테스트하기 위해 여러 실험을 설정할 수있다. 토양 기반 시스템에 비해, 수경 재배 시스템은 토양 매개 질병 위험 감소와 함께 설비보다 균일 영양 배지를 제공한다. 또한, 루트 및 촬영 조직 모두 수확 쉽게 분리 될 수있다특정 식물 조직에 대한 자세한 분석을 위해.
대표 섹션에서, 우리는 간단한 수경 시스템이 식물 영양에 대한 자세한 연구를 위해 사용하는 두 가지 예를 소개했다. 첫번째 예에서는, 아연의 농도 구배에 식물을 성장시킴으로써,이 수경 재배 시스템을 사용하는 영양 조성물을 얻을 수 제어 레벨을 설명 할 수 있었다. 여분의 아연은 성장을 방해 하였다 첨가하지 않고 식물이 7 μm의 아연 함께 성장 식물에 비해 성장하면서 7 μm의 아연 함께 성장 식물은, 50 μM의 아연에서 자란 식물에 비해 훨씬 더 적극적으로 성장했다. 이는 식물이 충분한 조건하에 성장시켰다 기간 부분적이었다; 미디어에서 아연의 이전 제거는 강한 아연 결핍 증상을 유도 할 가능성이있다. 동일한 원리를 적용하면, 우리는 식물의 성장을 저해하는 것으로 알려져 비 필수 금속 카드뮴을 이용한 독성을 유도 할 수 있었다.
두 번째에서예, 72 시간 동안 20 μM 카드뮴으로 처리 골-0 뿌리와 새싹의 원소 조성은 ICP-OES에 의해 결정되었다. 우리는 뿌리와 싹 사이의 모든 감지 금속의 차이를 발견했다. 철과 아연은 뿌리에서 더 풍부 발견 동안 매크로 요소는 뿌리를 기준으로 촬영에 높은 농도에서 발견되었다. 카드뮴은 촬영에 비해 뿌리에 더 집중되고, 철, 아연과 비슷한 패턴을 따랐다. 이러한 데이터는 잎과 뿌리는 식물의 ionome 상태에 대한 다른 정보를 제공하기 때문에, 두 조직 전체 플랜트 수준 미네랄 영양 조성물을 이해 별도로 분석해야 개념을 강화. 예컨대 원자 흡수 분광법 (AAS) 또는 유도 결합 플라즈마 질량 분석법 (ICP-MS) 등의 ICP-OES 여러 분광법 외에 또한 식물의 원소 조성 (ionome) 18-20 조직을 측정 할 수있다.
hydroponi에서C 실험은 증상과 다른 영양 조건에 응답 식물의 표현형은 더으로 확장 될 수 있는지의 시작을 같은 유전자 발현 (transcriptomics)과 단백질 풍부 (프로테오믹스)로 분석 정교 나타냅니다. 이 -omic 기술은 조직 – 특이 적 방식으로 프로세스를 고려하여 식물의 신진 대사를 통합하는 키입니다.
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 |