الزراعة المائية: نظام تنوعا لدراسة الغذائية تخصيص ومصنع الردود على توافر المواد الغذائية والتعرض للعناصر السامة

Nga T. Nguyen; Samuel A. McInturf; David G. Mendoza-Cózatl

doi:10.3791/54317

Method Article

الزراعة المائية: نظام تنوعا لدراسة الغذائية تخصيص ومصنع الردود على توافر المواد الغذائية والتعرض للعناصر السامة

DOI:

10.3791/54317

⸱

July 13th, 2016

Nga T. Nguyen¹ , Samuel A. McInturf¹ , David G. Mendoza-Cózatl¹

¹Division of Plant Sciences, C.S. Bond Life Sciences Center, University of Missouri, Columbia

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هنا ، نقدم بروتوكولا سهل المتابعة لإنشاء نظام مائي ناجح لدراسات تغذية النبات. تم اختبار هذا البروتوكول على نطاق واسع في نبات الأرابيدوبسيس ويمكن تكييفه بسهولة مع أنواع نباتية أخرى لدراسة المتطلبات الغذائية المحددة أو تأثير العناصر غير الأساسية على نمو النبات وتطوره.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقد تم استخدام أنظمة الزراعة المائية باعتبارها واحدة من الطرق القياسية للبحوث بيولوجيا النبات وتستخدم أيضا في الإنتاج التجاري للعديد من المحاصيل، بما في ذلك الخس والطماطم. داخل المجتمع البحوث النباتية، وقد تم تصميم النظم المائية عديدة لدراسة استجابات النبات للضغوط الحيوية وغير الحيوية. هنا نقدم بروتوكول المائية التي يمكن تنفيذها بسهولة في المختبرات المهتمة في متابعة دراساتهم في تغذية النبات المعدنية.

يصف هذا البروتوكول نظام الزراعة المائية المقامة في التفاصيل وإعداد المواد النباتية للتجارب الناجحة. معظم المواد الموصوفة في هذا البروتوكول يمكن العثور عليها خارج شركات توريد العلمية، مما يجعل من اقامة للتجارب المائية أقل تكلفة ومريحة.

استخدام نظام نمو الزراعة المائية هي الأكثر فائدة في الحالات التي تحتاج إلى وسائل الإعلام المغذيات إلى أن تسيطر عليها بشكل جيد وعندما ريال عماني سليمةتحتاج إلى أن تحصد لتطبيقات المصب محطة تكرير النفط. علينا أن نبرهن أيضا كيف تركيزات المواد الغذائية يمكن تعديلها للحث على استجابات النبات على حد سواء المواد الغذائية الأساسية والعناصر غير الضرورية السامة.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

النباتات هي من بين عدد قليل من الكائنات الحية التي يمكن توليف جميع نواتج المطلوبة من الأيونات غير العضوية والماء وثاني أكسيد الكربون ₂ باستخدام الطاقة القبض على من الشمس ^1. الزراعة المائية هي طريقة لزراعة النباتات التي تستفيد من هذه الحقيقة من خلال توفير جميع العناصر الغذائية، في شكلها غير العضوية، في المحلول السائل مع أو بدون وسائل الاعلام الصلبة. وقد استخدمت الأنظمة المائية على نطاق واسع من قبل العلماء لاستكشاف الاحتياجات الغذائية وكذلك سمية بعض العناصر في نبات الأرابيدوبسيس والأنواع النباتية الأخرى ^2-5. على سبيل المثال، Berezin وآخرون. ^3، كونيتيكت وآخرون. ^4، وAlatorre-كوبوس وآخرون. ² تستخدم أنظمة الزراعة المائية والعديد من الأنواع النباتية بما في ذلك الطماطم والتبغ، لتوليد ما يكفي من الكتلة الحيوية النباتية لتحليل المعادن ^2-4. كما تم تطوير التطبيقات الصناعية للالزراعة المائية للمحاصيل مثل الطماطم والخس ^6. هنا، نحن سutline استخدام الزراعة المائية في سياق البحث، والاختلافات المحتملة في الطرق المتاحة، وتقديم أخيرا نظام يمكن أن تكون قابلة للتطوير بسهولة ومفيدة للمختبرات الأبحاث المهتمة في دراسة تغذية النبات المعدنية.

نظم الزراعة المائية تسمح لسهولة انفصال الأنسجة الجذرية ومراقبة دقيقة من توافر المواد الغذائية

تقدم الزراعة المائية العديد من المزايا أكثر من النظم القائمة على التربة. عند إزالتها من التربة، وغالبا ما المنفصمة الأنسجة الجذرية ميكانيكيا مما تسبب في فقدان الأنسجة أو أضرار. هذا صحيح بشكل خاص لهياكل الجذر الجميلة مثل الجذور الجانبية وجذور الشعر هذا. نظم الزراعة المائية التي لا تستخدم وسائل الإعلام الجسيمات الخاملة تسمح لفصل أقل الغازية من الجذر واطلاق النار على الأنسجة.

في أنظمة التربة والتغيرات المغذيات التوافر البيولوجي في جميع أنحاء مصفوفة التربة والمواد الغذائية تترابط جزيئات التربة خلق بيئات الصغيرة داخل التربة. هذا حeterogeneity يمكن أن تضيف مستوى إضافيا من التعقيد في التجارب التي تحتاج إلى مراقبة دقيقة على تركيز خارجي من المواد الغذائية أو جزيئات أخرى. في المقابل، فإن حل المائية غير متجانسة، ويمكن الاستعاضة عنها بسهولة طوال فترة التجربة.

أنواع من النظم المائية

جميع الثقافات المائية تعتمد على المحلول المغذي لتسليم العناصر الأساسية لهذا المصنع. وبالإضافة إلى المواد الغذائية، في حاجة إلى الجذور أيضا وجود إمدادات ثابتة من الأكسجين. عندما تصبح جذور الأكسجين أنهم غير قادرين على تناول والأيض النقل إلى باقي الجسم مصنع ^7. ويمكن تصنيف الأنظمة المائية على أساس كيف أنها تقدم الأكسجين والمواد المغذية الأخرى إلى جذور: تسليم الأوكسجين من قبل تشبع الحل مع الهواء (الزراعة المائية الكلاسيكية)، من خلال عدم غمر جذور في جميع الأوقات، أو من خلال السماح للجذور أن تتعرض تماما ل الهواء (aeroponics) ^8. في الزراعة المائية،المحلول المغذي يمكن أن تكون مشبعة بالهواء قبل استخدامها، وتغيرت كثير من الأحيان، أو الهواء يمكن توفيره بشكل مستمر في الحل على مدى دورة حياة النبات ^9. بدلا من ذلك، يمكن أيضا أن تنمو النباتات على وسائل الإعلام خامل (الكريات على سبيل المثال، الصوف الصخري، الخس، أو الطين) وتعرض لالرطب الجافة دورات التي كتبها نازف حل من خلال وسائل الإعلام أو دوريا غمر الركيزة في المحلول المغذي ^10. في aeroponics، يتم رش الجذور مع المحلول المغذي لمنع جفاف.

عيوب النظم المائية

على الرغم من الثقافات المائية توفر مزايا واضحة على النظم القائمة على التربة، وهناك بعض الاعتبارات التي يجب أن اعترف عند تفسير البيانات. على سبيل المثال، النظم المائية تعرض النباتات للظروف التي يمكن أن ينظر إليها على أنها غير الفسيولوجية. لذلك، الظواهر أو استجابات النبات الكشف باستخدام نظم الزراعة المائية قد تختلف في حجم عرجن تزرع النباتات في نظم بديلة (مثل التربة أو وسائل الإعلام على أجار). هذه الاعتبارات ليست فريدة من نوعها لأنظمة الزراعة المائية. كما يمكن ملاحظة ردود الأفعال المختلفة إذا تزرع النباتات في أنواع مختلفة من التربة ^11،12.

وينص البروتوكول التالية خطوة بخطوة على تعليمات حول كيفية إعداد نظام الزراعة المائية في المختبر. وقد تم تحسين هذا البروتوكول لthaliana نبات الأرابيدوبسيس (نبات الأرابيدوبسيس)؛ ومع ذلك، مماثلة أو في بعض الحالات خطوات مماثلة يمكن استخدامها لزراعة الأنواع الأخرى.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. الحضانة الشتلات

طور البخار تعقيم البذور نبات الأرابيدوبسيس
1. صب البذور (40-50 ملغ) إلى 1.5 مل أنابيب الطرد المركزي. (انظر الشكل رقم 1 لحجم البذور المناسب، ~ 50 ميكرولتر). تسمية كل أنبوب مع قلم رصاص (الحبر قد تتلاشى خلال التعقيم). وضع كل أنبوب المسمى، سقف مفتوح، إلى مجفف ^13.
2. وضع مجفف في غطاء الدخان نشط وإغلاق صمام المجفف و.
3. قسامة 100 مل من المبيض (NaClO 6.15٪) في كوب 250 مل ثم وضعه في المجفف.
4. بسرعة إضافة 3 مل من 12 M حمض الهيدروكلوريك إلى التبييض باستخدام ماصة نقل. إغلاق بسرعة غطاء المجفف كما تستمر في رد فعل سريع. السماح للتعقيم المضي قدما لمدة 4 ساعات (بمناسبة أنبوب مع الحبر ورؤية الحبر تتلاشى يساعد على تصور أن كمية كافية من غاز الكلور قد ولدت).
  تنبيه: غاز الكلور السام. مقبضبقايا مع احتياطات السلامة الإضافية في غطاء الدخان وظيفية. الاتصال بالسلطات المحلية أو زيارة صفحة ويب من الصحة البيئية والسلامة القسم - جامعة ميسوري (العش-MU) ¹⁴ للسلامة الكيميائية ومبادئ توجيهية لاستخدام غطاء الدخان: https://ehs.missouri.edu/chem/.
5. خمس عشرة دقيقة قبل التعقيم الكامل (3.75 ساعة)، بدوره على تدفق الصفحي هود وتنظيف السطح باستخدام الايثانول 70٪.
6. بعد 4 ساعات من التعقيم فتح صمام، وإزالة لفترة وجيزة غطاء مجفف داخل غطاء الدخان، وإزالة المبيض، والتصرف وفقا لإجراءات مؤسسية. وهذه خطوة الافراج عن جزء كبير من أبخرة الكلور. ختم غرفة التعقيم وإحضاره إلى غطاء تدفق الصفحي. فتح غطاء على نطاق واسع وتهوية البذور المعقمة لحوالي 40 دقيقة. بعد هذا الوقت، استخدام البذور مباشرة أو تخزينها في مكان جاف.
  ملاحظة: يوصى بخار مرحلة تعقيم البذار ولكن أساليب أخرى سوالفصل يغسل كما بديلة مع الإيثانول ومواد التبييض والمياه كما هو موضح في Alatorre-كوبوس وآخرون. ² هي فعالة بنفس القدر.
وسائل الإعلام ثقافة لإنبات البذور
ملاحظة: وسائل الإعلام ثقافة أعد في هذه الخطوة هو ¼ Murashige وسكوغ (MS) مع الفيتامينات ^(15).
1. إضافة 450 مل من الماء منزوع الأيونات (DI الماء)، 0.55 غرام وسائل الاعلام MS بالإضافة إلى الفيتامينات، MES 0.3 غرام (4 morpholineethanesulfonic هيدرات حمض)، وشريط مغناطيسي في كوب من الزجاج 1 لتر.
2. حل وضبط درجة الحموضة إلى 5.7 باستخدام هيدروكسيد الصوديوم ثم قم بإضافة 3.5 غرام phytoagar. الحفاظ على اثارة الحل لمدة 5 دقائق إضافية.
3. من أجل حل كله إلى الاسطوانة وإضافة DI المياه تصل إلى 500 مل. الأوتوكلاف هذا الحل 500 مل، مع شريط مغناطيسي داخل، وذلك باستخدام 1 لتر زجاجة autoclavable.
4. بعد أن تم تعقيمها الحل، وإثارة الحل لمدة 7-10 دقائق باستخدام محرك مغناطيسي في زجاجة.
5. بعد أن يبرد وسائل الإعلام أسفلإلى 50-60 درجة مئوية، صب سائل الإعلام في لوحات تحت ظروف معقمة والسماح لها يصلب. لوحات يمكن تخزينها لاستخدامها لاحقا في غرفة باردة.
تصفيح البذور
1. بدوره على تدفق الصفحي غطاء لمدة 15 دقيقة قبل الاستخدام وتنظيف السطح مع 70٪ من الإيثانول. ويتعين على العناصر التالية: البذور العقيمة، ورقة الترشيح، والمسواك، شريط من micropore ولوحات ¼ MS.
2. وضع البذور العقيمة على ورق الترشيح العقيمة. قليلا الرطب واحدة من نهاية المسواك العقيمة (مع الماء المعقم أو بدس وسائل الإعلام ¼ MS). استخدام هذه الغاية رطب لاختيار البذور من ورقة الترشيح ثم يضعونها على سطح وسائل الإعلام.
3. نشر بذور عبر لوحة في مناطق ذات كثافة من حوالي 1 البذور لكل سم ² (الشكل 2). ثم استخدم شريط من micropore للحفاظ على الغطاء لوحة تعلق على هيئة لوحة. هذا النوع من الشريط يساعد على منع التلوث في الوقت الذي تسمح بتبادل الغازات بين الهواء والمناخ المحلي insidالبريد لوحة.
4. قبل الإنبات، بذور تطبق عن طريق الحفاظ على لوحات يومين في غرفة باردة وغطت بعيدا عن الضوء.
5. بعد التقسيم الطبقي، ووضع البذور في غرفة النمو أو في مكان مع ظروف النمو المثلى (23 درجة مئوية و 16 ساعة ضوء / 8 الظلام ساعة و 60٪ الرطوبة النسبية للنبات الأرابيدوبسيس). والشتلات تكون جاهزة للالزراعة المائية بعد 10-12 يوما الإنبات.
  ملاحظة: أثناء الإنبات قد يكون هناك التكثيف كبير تحت غطاء من لوحة، لمنع الغرق، والمياه الزائدة يجب التخلص تحت ظروف معقمة في غطاء تدفق الصفحي.

2. المائية وإعداد وزراعة عملية

حل المائية
ملاحظة: كما ذكر في المقدمة، قد النباتات لها متطلبات غذائية معينة قد نمت نبات الأرابيدوبسيس بنجاح مع المحلول المغذي هو مبين في الجدول رقم 1 ¹⁶ اعتمادا على الموردين، و.الأملاح المذكورة هنا قد يكون محتوى المياه المختلفة (رطب) واستخدام هذه البدائل لا يؤثر على خصائص المحلول المغذي طالما يقام المولية ثابت.
1. إعداد حلول الأوراق المالية من كل المغذيات الكبيرة في زجاجات مختلفة (الجدول 1) وجميع المغذيات الدقيقة باستثناء الحديد EDTA في زجاجة معقمة (تعقيم عن طريق الترشيح باستخدام 0.22 ميكرون الأغشية). دائما إضافة الحديد EDTA أخيرا عند خلط الحل. يعد حل 10X المواد الغذائية في وقت مبكر من التجربة ولكن الأوتوكلاف وتخزينها في 4 درجات مئوية. استخدام أو تغيير المواد الغذائية فقط عندما يكون المحلول المغذي وصلت درجة حرارة الغرفة.
زراعة
1. إعداد صاحب مصنع والحاويات المائية
  1. إجراء شق في رغوة، على امتداد طوله باستخدام شفرة حلاقة (انظر الشكل 3). إعداد المكونات واحد لكل نبات.
  2. المقابس أنبوب الرغوة السائل الأوتوكلاف غارقة في المياه DI.
  3. قطع لوحة الرغوة في لوحات صغيرة، والتأكد من أن العرض والطول لوحات رغوة 0.5-1.0 سم أقل من حجم الحاوية (انظر الشكل 4).
  4. استخدام حفار الفلين لخلق الثقوب في مجلس رغوة. كثافة النباتات يجب أن توزع بالتساوي، من الناحية المثالية 1 محطة في 10 سم ^2. وهذه الكثافة حفاظ على النباتات فصلها بدقة عن بعضها البعض. لكن كثافة أعلى ممكنة ولن يحول دون نجاح هذه التجارب. تأكد من أن حجم الثقوب يطابق حجم المقابس (انظر الشكل 4).
  5. ملء الحاويات مع المحلول المغذي. تأكد من أن عمق الحل هو ما يكفي لتطوير الجذر (5 سم على الأقل). ثم وضع بعناية لوحات رغوة على سطح حل ل.
  6. إعداد نظام الهواء مضخة لتوفير الأكسجين إلى الحل (انظر الشكل 5).
    ملاحظة: في ملء الحاويات المائية مع المحلول المغذي وساميتم زرع شتلات يوم ه. سوف تغطي جوانب الحاوية من الضوء يساعد على منع نمو الطحالب.
2. نقل الشتلات من لوحات لنظام الزراعة المائية
  1. استخدام ملاقط صغيرة لسحب بلطف كل الشتلات من لوحة المتوسطة ووضع الجذر على طول شق من المكونات أنبوب الرغوة. بعناية توصيل أنبوب الرغوة عقد الشتلات في مجلس رغوة ثم وضع المجلس مرة أخرى إلى الحاوية المائية. انظر الشكل 6 للتلاعب المناسب.

3. تجارب الزراعة المائية

المغذيات حل بديل والتلاعب
1. استبدال المحلول المغذي
  1. لاستبدال المحلول المغذي، وإعداد حل المائية العذبة كما هو موضح في الخطوة 2.1. إزالة لوحة الرغوة التي تحتوي على النباتات من الحاويات المائية ووضعه في حاوية مليئة مؤقتةالماء أو محلول المائية.
  2. تجاهل الحل القديم، وشطف الحاويات لفترة وجيزة ثلاث مرات بالماء DI. إضافة الحل تربة طازجة في هذه الحاوية ووضعه برفق مجلس رغوة مع النباتات مرة أخرى في حاوية المائية. استبدال حل المائية مرتين في الأسبوع.
2. تغيير تركيبة المغذيات من الحل المائية
  1. ضبط تشكيل حل المائية هو مبين في الجدول رقم 1 لتعديل تركيز النهائي من عنصر الفائدة. على سبيل المثال، للحث على الحديد (الحديد) نقص، تعديل حل المائية لتقليل تركيز الحديد EDTA. تشمل مجموعة من محطات المراقبة المزروعة في حل الكامل (أو مفعم) تربة، من دون أي تعديل، للمقارنة.
  2. لمعالجة المحلول المغذي مع عنصر سام، أولا إعداد حل الأوراق المالية مستقلة عن العنصر السام المطلوب، ويفضل 1،000x تركيزا. إستخدمماصة في ارتفاع الحل المائية مع العنصر السام في التركيز النهائي المطلوب باستخدام الأسهم تتركز 1،000x.
  3. على سبيل المثال، من أجل تقديم 3 L من حل المائية التي تحتوي على 20 ميكرومتر من الكادميوم، وإعداد ₂ الاسهم 0.5 M CdCl، وإضافة 120 ميكرولتر من الأسهم 0.5 M CdCl ₂ في حل المائية 3 L. تشمل مجموعة السيطرة على النباتات التي تزرع في الزراعة المائية بدون CdCl ₂ للمقارنة.
    تنبيه: سمية العناصر مثل الكادميوم والزرنيخ والرصاص خطرة جدا على صحة الإنسان والبيئة. يرجى الاتصال بالسلطات المحلية أو زيارة صفحة ويب من الصحة والسلامة-MU (https://ehs.missouri.edu/train/chemical.html) ¹⁴ للحصول على إرشادات السلامة البيئية والصحية قبل إجراء التجارب.
التعقيم أداة للتجارب القادمة
1. تقريبا كل المواد المستخدمة في إعداد تربة انشاء يمكن أن يكونإعادة استخدامها، وتنظيف أجزاء مختلفة مع التبييض المخفف (NaClO 0.6٪).
2. بعد الشطف مع التبييض، وشطف جميع المواد جيدا بالماء DI. احفظي العبوات، لوحات رغوة، والحجارة حوض السمك فقاعة في مكان جاف لاستخدامها في المستقبل. المقابس رغوة على استعداد لإعادة استخدامها بعد إزالة الجذور ويتم تعقيمها.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في هذا القسم، يتم عرض نتائج نوعين من التجارب، وذلك باستخدام نظام الزراعة المائية هو موضح هنا. في التجربة الأولى، تم تعديل المحلول المغذي للحصول على تركيزات مختلفة من الزنك. نحن أيضا تعديل المحلول المغذي عن طريق إضافة تركيزات غير قاتلة من الكادميوم عنصر سام (الشكل 7). في التجربة الثانية، استخدمنا إضافة بالحث البلازما الضوئية الانبعاث الطيفي (ICP-OES) ¹ لقياس التركيب العنصري من جذور وأوراق النباتات التي تزرع في محلول يحتوي على تربة الكادميوم (الشكل 8). توضح هذه التجربة مزايا الحصول على الجذور والأوراق على حدة.

التجربة 1

كانت تزرع شتلات نبات الأرابيدوبسيس (كو-0) في نظام الزراعة المائية وصفها في العلاقات العامةotocol الخطوات سمح 1 و 2. النباتات على النمو ليصبح المجموع 3 أسابيع قبل أن يتم تعامل مع تركيزات مختلفة من الزنك (الشكل 7A-B) أو تركيز غير قاتلة من الكادميوم (الشكل 7C). ستة أيام بعد العلاج، النباتات التي تزرع في تركيزات الزنك عالية (> 42 ميكرومتر) أظهرت تأخر النمو يرجع إلى الزنك سمية، في حين أن النباتات دون الزنك اضافية أضاف أيضا تظهر تأخر النمو مقارنة مع النباتات التي تزرع مع 7 ميكرومتر الزنك ²⁺ الشكل 7 يظهر أيضا انخفاض في نمو تبادل لاطلاق النار، نمو الجذور، ورقة داء الاخضرار أعراض نموذجية من النباتات المعرضة للكادميوم (الشكل 7C).

تجربة 2

وقد نمت العقيد-0 النباتات كما هو موضح في الخطوات 1 و 2. وبعد أسبوعين، تم استبدال غير المعدلة (مليء) حل مع 80 مل من محلول المائية التي تحتوي على 20 ميكرومتر الكادميوم. بعد 72 ساعةالصورة، تم غسلها الأنسجة الجذرية عن طريق تحويل مجلس رغوة كله مع النباتات لسفينة جديدة تحتوي على 80 مل من تريس 20 ملم (8.0 درجة الحموضة) و 5 ملي EDTA. وهذا الحل إزالة المعادن الثقيلة متجهة إلى سطح الجذر. وحضنت النباتات في حل تحتوي على EDTA على شاكر دوارة لمدة 5 دقائق. ثم تم استبدال حل EDTA 80 مل من الماء DI وحضنت النباتات على شاكر دوارة لمدة 5 دقائق إضافية. وتكرر هذه الخطوة الشطف بالماء DI مرتين. بعد الشطف النباتات بالماء DI، تم حصاد الأوراق والجذر الأنسجة بشكل مستقل ومعالجتها لICP-OES ^1. ويبين الشكل 8 أن التركيب العنصري للأوراق يختلف عن الجذور، حيث المغذيات (الكالسيوم والبوتاسيوم، والمغنيسيوم) في الأنسجة ورقة هي موجودة في تركيز أعلى بالمقارنة مع الجذور. من ناحية أخرى، والمغذيات الدقيقة مثل الزنك والحديد المتراكم تفضيلي في الجذور. تم العثور على تركيز الكادميوم عنصر غير الضروري أن يكون مرحبا gher في الجذور مقارنة يطلق النار.

figure-results-1
الشكل 1. بخار مرحلة تعقيم البذور نبات الأرابيدوبسيس. (A) المبلغ من بذور نبات الأرابيدوبسيس في 1.5 مل أنابيب الطرد المركزي. (ب) أنابيب تحتوي على البذور مع قبعات مفتوحة في حامل رف أنبوب جاهزة للتعقيم، أنبوب واحد مع يتم تضمين الحبر ملحوظ على الحد الأقصى. مجموعة (C) التعقيم حتى داخل المجفف، غطاء وأغلق صمام. (D) الحبر علامة على غطاء أنبوب تضمينها في عملية تعقيم البذور مع لون قوي من الحبر علامة قبل وبعد التعقيم. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

ملفات / ftp_upload / 54317 / 54317fig2.jpg "/>
الشكل 2. البذور الطلاء خطوة. يتم وضع (A) بذور على الورق تعقيمها قبل الطلاء. مطلوب أيضا مسواك تعقيمها لهذه الخطوة. (ب) الرطب قليلا في نهاية المسواك مع وسائل الإعلام أو المياه على جانب لوحة متوسطة. يتم نقل (C) بذور ل¼ وحات MS. (د) وكثافة مثالية من البذور هي بذور ≈1 / سم ^2. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-2
الشكل 3. رغوة المكونات المستخدمة لعقد الشتلات في المحلول المغذي. شق على نصف من المكونات أنبوب الرغوة يساعد تحتجز الشتلات خلال زرع من لوحات المائية. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3
الشكل 4. رغوة إعداد متنها. (A) للتحقق من حجم مجلس رغوة قالب مع حجم الحاويات قبل إعداد لوحات رغوة بكميات كبيرة. اثنين من الثقوب الصغيرة المصنوعة في وسط اللوحة الرغوة تجعل من الأسهل على عقد والتعامل مع رغوة باستخدام الملقط. يستخدم (ب ج) وحفار الفلين لخلق الثقوب في مجلس رغوة. (D) للتحقق من صالح سليم بين المكونات أنبوب الرغوة والثقوب التي تم إنشاؤها على مجلس رغوة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الآثار البيئية-together.within الصفحات = "1"> figure-results-4
. الرقم إعداد 5. الهواء مضخة لتجربة المائية من أعلى إلى عرض (A) والجانبية الرأي (ب) تشير الأرقام إلى: 1 - مضخة تزويد الهواء؛ 2 - أنابيب البلاستيك ربط مضخة الهواء مع نظام صمام للتحكم في تدفق الهواء. 3 - النظام صمام. 4 و 5 - أنابيب البلاستيك ربط نظام صمام بالحجارة فقاعة للتهوية. 6 و 7 - الحجارة فقاعة (يباع للدبابات الأسماك) الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-5
الشكل 6. نقل الشتلات إلى نظام الزراعة المائية. (A) استخدام ملاقط لاتخاذ الشتلات من لوحة متوسطة. (ب) ضع رو الشتلاتر على طول شق على المكونات أنبوب الرغوة. (C) أدخل قابس أنبوب الرغوة في مجلس رغوة. (D) وأكملت وضع مجلس رغوة مع الشتلات جاهزة لتوضع في المحلول المغذي. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-6
الرقم 7. حلول المغذيات يمكن تعديلها لاختبار نقص أو الآثار السامة للعناصر المائي القديم أسابيع 4 نمت نبات الأرابيدوبسيس بعد 6 أيام العلاج: (AB) النباتات نمت مع 0، 7، 14، 21، 28، 35، 42، و 50 ميكرومتر من الزنك. النباتات التي تزرع في تركيزات عالية الزنك (> 42 ميكرومتر) المعرض تأخر النمو (سمية) النمو في حين النباتات دون الزنك وأضاف أيضا تظهر تأخير (نقص المغذيات) مقارنة مع النباتات التي تزرع مع 7 ميكرومتر الزنك ^2+. (C) النباتات التي تزرع في غياب (يسار) أو وجود 20 ميكرومتر الكادميوم في المحلول المغذي (تم أخذ الصورة بعد 6 أيام من التعرض الكادميوم). إن التعرض للكادميوم يدفع الاخضرار، ويقلل من النمو. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-7
الرقم 8. التركيب العنصري من الجذور والبراعم من النباتات نمت المائي. النبتات تحتوي على أكثر المواد الغذائية الرئيسية (الكالسيوم والبوتاسيوم، والمغنيسيوم) مقارنة مع جذور في حين الزنك المغذيات الدقيقة الأساسية والحديد أكثر تركيزا في الجذور. وبالمثل تتجمع الكادميوم عنصر غير الأساسيين بشكل تفضيلي في الجذور. تمثل أشرطة الخطأ وفترات الثقة 95٪ (ن = 14، ويطلق النار و n = 9، الجذور)._upload / 54317 / 54317fig8large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

نوع من المواد الغذائية	الملح / الكاشف	التركيز في حل المائية	وحدة
المغذيات الكبيرة	كنو ₃	1.250	ملي
المغذيات الكبيرة	KH ₂ PO ₄	0.625	ملي
المغذيات الكبيرة	MgSO ₄	0.500	ملي
المغذيات الكبيرة	كاليفورنيا (NO ₃₎ ₂	0.500	ملي
المغذيات الدقيقة	H ₃ BO ₃	17.500	ميكرومتر
المغذيات الدقيقة	MnCl ₂	5.500	ميكرومتر
المغذيات الدقيقة	ZnSO ₄	0.500	ميكرومتر
المغذيات الدقيقة	نا ₂ زارة النفط ₄	0.062	ميكرومتر
المغذيات الدقيقة	كلوريد الصوديوم ₂	2.500	ميكرومتر
المغذيات الدقيقة	كوكلي ₂	0.004	ميكرومتر
المغذيات الدقيقة	FeEDTA	12.500	ميكرومتر

الجدول 1. التركيز الفعال من المواد الغذائية في حل المائية.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

صحة الشتلات المستخدمة في الزراعة المائية هي واحدة من العوامل الرئيسية التي تسهم في نجاح تجربة الزراعة المائية. تعقيم الأدوات والبذور وسائل الإعلام والثقافة أيضا تلعب دورا هاما في الحد من مخاطر التلوث وتوفير بداية جيدة للنباتات قبل أن يتم زرعها هم في نظام الزراعة المائية. بيئة العمل مع مرافق مثل الأوتوكلاف، غطاء الدخان، غرفة باردة (4 درجة مئوية)، والفضاء النمو مع الظروف التي تسيطر عليها (شدة الضوء ودرجة الحرارة) ضروري لمجموعة والتجريبية جيدة تصل.

نضارة المحلول المغذي يحدد أيضا صحة النبات، وهذا بدوره يحدد نجاح تجربة الزراعة المائية. منذ المياه يتبخر بشكل أسرع تحت الإضاءة المباشرة، فإن تركيز الأملاح تتغير بسبب انخفاض من إجمالي حجم حل. لذا فمن الأفضل أن تغيير الحل المائية على الأقل مرتين في الأسبوع. ومع ذلك، إذا الكبيرة والحاويات عميقةمجهزة بنظام ضخ الهواء تستخدم أنه قد لا يكون من الضروري استبدال المحلول المغذي للتجارب التي هي قصيرة في مدتها. لاحظ أنه في حالة نبات الأرابيدوبسيس كنا السفن أرجواني (77 مم عرض × 77 مم × طول 97 مم الارتفاع) ولكن يمكن أيضا أخرى، حاويات أكبر أن تستخدم لاستيعاب أكبر مصانع.

للباحثين المهتمين في المغذيات النباتية، وتوفر تجارب المائية بيئة فريدة لاختبار الظواهر النباتية والردود على مختلف توافر المواد الغذائية ^17. عن طريق التلاعب في تركيزات العناصر المثيرة للاهتمام، يمكن للباحثين اقامة تجارب مختلفة لاختبار آثار الاكتفاء، نقص، أو تركيزات السامة من المواد الغذائية الأساسية وغير الأساسية. بالمقارنة مع النظام القائم على التربة، ونظام الزراعة المائية يوفر وسط غذائي أكثر تجانسا للنباتات مع خطر أقل للأمراض التي تنتقل عن طريق التربة. وبالإضافة إلى ذلك، كل من الجذر واطلاق النار على الأنسجة يمكن حصاده وفصلها بسهولةلمزيد من التحليلات على أنسجة نباتية معينة.

في قسم التمثيل، قدمنا اثنين من الأمثلة التي تم استخدام نظام الزراعة المائية بسيطة لدراسات أكثر تفصيلا عن تغذية النبات. في المثال الأول، من خلال زراعة النباتات على التدرج تركيز الزنك، كنا قادرين على توضيح مستوى الرقابة التي يمكن تحقيقها على تكوين المواد الغذائية التي تستخدم هذا النظام المائية. النباتات التي تزرع مع 7 ميكرومتر الزنك نمت أكثر من ذلك بكثير بقوة مقارنة مع النباتات التي تزرع في 50 ميكرومتر الزنك، في حين أن النباتات المزروعة دون المضافة وتوقف إضافي الزنك مقارنة مع النباتات التي تزرع مع 7 ميكرومتر الزنك. وكان هذا ويرجع ذلك جزئيا إلى طول الفترة الزمنية سمح للنباتات أن تنمو في ظل ظروف كافية. ومن المرجح أن تحفز أعراض أقوى الزنك ونقص إزالة السابقة من الزنك من وسائل الإعلام. تطبيق نفس المبدأ، كنا قادرين على إحداث سمية باستخدام المعادن غير الاساسيين والكادميوم، والذي يعرف ليضعف نمو النبات.

في الثانيسبيل المثال، تم تحديد التركيب العنصري من العقيد-0 جذور وبراعم تعامل مع 20 ميكرومتر الكادميوم لمدة 72 ساعة قبل ICP-OES. لقد وجدنا اختلافات في جميع المعادن الكشف عن بين الجذور والبراعم. وقد وجدت عناصر الاقتصاد الكلي في تركيزات أعلى في براعم النسبية إلى الجذور، في حين تم العثور على الحديد والزنك أكثر وفرة في الجذور. وجاء الكادميوم نمطا مماثلا إلى الحديد والزنك، ويجري أكثر تركيزا في الجذور مقارنة يطلق النار. وتعزز هذه البيانات فكرة أن الأوراق والجذور توفر معلومات مختلفة عن حالة ionome من النبات، وبالتالي تحتاج إلى تحليل منفصل لفهم التغذية المعدنية والتكوين على مستوى المصنع كله على حد سواء الأنسجة. إلى جانب ICP-OES العديد من الطرق الطيفية مثل الامتصاص الذري الطيفي (أنصار السنة) أو إلى جانب بالحث البلازما الطيف الكتلي (ICP-MS) ويمكن أيضا أن تستخدم لقياس التركيب العنصري (ionome) من أنسجة النبات ^18-20.

في hydroponiج التجربة، والأعراض والظواهر النباتات الاستجابة لشروط المواد الغذائية المختلفة تمثل بداية لما يمكن أن تمتد إلى أكثر تفصيلا يحلل مثل التعبير الجيني (transcriptomics) وفرة البروتين (البروتينات). هذه التقنيات -omic هي مفاتيح لدمج التمثيل الغذائي المصنع من خلال النظر في العمليات بطريقة الأنسجة محددة.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يعلن المؤلفون أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم دعم هذا البحث من قبل مجلس أبحاث جامعة ميسوري (المشروع CB000519) ومؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (IIA-1430428 إلى DMC). تم دعم Nga T. Nguyen من قبل برنامج تدريب مؤسسة التعليم الفيتنامية (برنامج تبادل الزوار رقم G-3-10180). كما نشكر روجر ميسن (مركز MU Bond لعلوم الحياة) على مساعدته وخبرته خلال جلسات تسجيل وتحرير الفيديو.

Materials

List of materials used in this article Name Company Catalog Number Comments < td colspan = "4" > لربع MS متوسط التحضير < / قوي >< td colspan = "4" ><قوي> لطلاء البذور ؛ < / قوي > شركة بحجم OD مضخة هواء أنابيب

<قوي>لتعقيم البذور < / قوي >
التبييض	شركة Clorox	NA	المبيض العادي www.cloroxprofessional.com
حمض الهيدروكلوريك	فيشر Scientific	A144-500
مجفف الجسم	Nalgene	D2797 SIGMA	يتم تسويقه بواسطة لوحة Sigma-Aldrich
Desiccator	Nalgene	5312-0230	تم تسويقها بواسطة Thermo Scientific
MES	Acros Organics	172591000	4-Morpholineethanesulfonic حمض هيدرات
Murashige و Skoog (MS)	Sigma-Aldrich	M0404-10L
KOH	Fisher Scientific	P250-500
Phytoagar	Duchefa Biochemie	P1003.1000
لوحة مربعة	فيشر Scientific	0875711A	طبق بتري يمكن التخلص منه مع شبكة
ورقة مرشح	Whatman	1004090
المسواك	Jarden Home Brands	NA
رقائق الألومنيوم	رينولدز التفاف	NA	رقائق الألومنيوم
القياسية Micropore	الشريط 3M الرعاية الصحية	19-898-074	الشريط الجراحي. تم تسويقها بواسطة Fisher Scientific
لإعداد المحلول المائي< / strong>
KNO_{3< / sub>}	Fisher Scientific ؛	BP368-500
KH₂PO₄	Fisher Scientific	P386-500
MgSO₄	Fisher Scientific	M63-500
Ca (NO₃)₂	Acros Organics	A0314209
H₃BO₃	Sigma	B9645-500G
MnCl _{2 < / sub >}	Sigma-Aldrich	M7634-100G
ZnSO_{4< / sub>}	Sigma	Z0251-100G
Na _{2< / sub>MoO _{4< / sub>}}	Aldrich	737-860-5G
NaCl _{2< / sub>}	Fisher Scientific	S271-1
CoCl	سيجما ألدريتش	232696-5G
FeEDTA	Sigma	E6760-100G
" Stericup & ستيريتوب" زجاجة	Milipore Corporation	SCGVU02RE	حاوية المغذيات الدقيقة www.milipore.com
لإعداد المخزن المؤقت لغسل الجذور< / strong>
EDTA	Acros Organics	A0305456
تريس	فيشر Scientific	BP154-1
<قوي>لإعداد الزراعة المائية < / قوي >
قابس أنبوب رغوة قابل للتعقيم	Jaece Industries Inc.	L800-A	Identi-Plugs تناسب الثقوب مع 2R = 6-13 مم
رغوة مجلس	الستايروفوم العلامة التجارية ؛ سمك داو	ESR-2142	هو 1/2 بوصة
حفار الفلين	Humboldt	H-9662	مجموعات حفار الفلين مع مقابض ، مجموعة من النحاس المطلي من 6 ، 3/16 "إلى 1/2" مضخة
هواء	Aqua Culture	MK-1504
	يتم تسويقها بواسطة Wal-mart Stores، Inc.
أنابيب الطيران وأحجار فقاعة أحواض السمك	الثقافة المائية	: 928 / 25-S
أنابيب الطيران وأحجار الفقاعات أحواض السمك	التي يتم تسويقها بواسطة Wal-mart Stores، Inc.	الحجر: ASC-1
أخرى< / قوي>
الإيثانول	فيشر العلمي	A995-4	كاشف كحول
كلوريد الكادميوم (CdCl_{2< / sub>)}	سيجما ألدريتش	10108-64-2

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

McDowell, S. C., et al. Elemental Concentrations in the Seed of Mutants and Natural Variants of Arabidopsis thaliana Grown under Varying Soil Conditions. PLoS ONE. 8, 1-11 (2013).
Alatorre-Cobos, F., et al. An improved, low-cost, hydroponic system for growing Arabidopsis and other plant species under aseptic conditions. BMC Plant Biol. 14, 69-69 (2014).
Berezin, I., Elazar, M., Gaash, R., Avramov-Mor, M., Shaul, O. The Use of Hydroponic Growth Systems to Study the Root and Shoot Ionome of Arabidopsis thaliana. Hydroponics - A Standard Methodology for Plant Biological Researches. Asao, T. , InTech. ISBN: 978-953-51-0386-8 (2012).
Conn, S. J., et al. Protocol: optimising hydroponic growth systems for nutritional and physiological analysis of Arabidopsis thaliana and other plants. Plant Methods. 9, 4-4 (2013).
Kopittke, P. M., Blamey, F. P. C., Asher, C. J., Menzies, N. W. Trace metal phytotoxicity in solution culture: a review. J. Exp. Bot. 61, 945-954 (2009).
Gent, M. P. N. Composition of hydroponic lettuce: effect of time of day, plant size, and season. J. Sci. Food Agric. 92, 542-550 (2012).
Gibbs, J., Turner, D. W., Armstrong, W., Darwent, M. J., Greenway, H. Response to oxygen deficiency in primary maize roots. I. Development of oxygen deficiency in the stele reduces radial solute transport to the xylem. Funct. Plant Biol. 25, 745-758 (1998).
Zobel, R. W., Del Tredici, P., Torrey, J. G. Method for Growing Plants Aeroponically. Plant Physiol. 57, 344-346 (1976).
Chang, D. C., Park, C. S., Kim, S. Y., Lee, Y. B. Growth and Tuberization of Hydroponically Grown Potatoes. Potato Research. 55, 69-81 (2012).
Resh, H. M. Hydroponic Food Production : A Definitive Guidebook for the Advanced Home Gardener and the Commercial Hydroponic Grower, Seventh Edition. , CRC Press. 199-292 (2012).
Sharma, H. K., Chawan, D. D., Daiya, K. S. Effect of different soil types on plant growth, leaf pigments and sennoside content in Cassia species. Pharmaceutisch weekblad. 2, 65-67 (1980).
Strojny, Z., Nowak, J. S. Effect of different growing media on the growth of some bedding plants. Acta horticulturae. 19, 157-162 (2004).
Bent, A. Arabidopsis thaliana floral dip transformation method. Methods Mol Biol. 2, 87-103 (2006).
Chemical Safety Environmental Health and Safety - University of Missouri. , University of Missouri. Available from: https://ehs.missouri.edu/ (2013).
Murashige, T., Skoog, F. A Revised Medium for Rapid Growth and Bio Assays with Tobacco Tissue Cultures. Physiol. Plant. 15, 473-497 (1962).
Lee, D. A., Chen, A., Schroeder, J. I. ars1, an Arabidopsis mutant exhibiting increased tolerance to arsenate and increased phosphate uptake. Plant J. 35, 637-646 (2003).
Pii, Y., Cesco, S., Mimmo, T. Shoot ionome to predict the synergism and antagonism between nutrients as affected by substrate and physiological status. Plant Physiol. Biochem. 94, 48-56 (2015).
Baxter, I. Ionomics: studying the social network of mineral nutrients. Curr. Opin. Plant Biol. 12, 381-386 (2009).
Baxter, I. Ionomics: The functional genomics of elements. Brief Funct Genomics. 9, 149-156 (2010).
Salt, D. E. Update on plant ionomics. Plant Physiol. 136, 2451-2456 (2004).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

الزراعة المائية: نظام تنوعا لدراسة الغذائية تخصيص ومصنع الردود على توافر المواد الغذائية والتعرض للعناصر السامة

In This Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgements

Materials

References

Reprints and Permissions

Tags

Related Articles