一种简单、通用且低成本的体外水培系统已成功优化，可在无菌条件下进行大规模实验。该系统有助于将化学物质以溶液形式施加，并被根系高效吸收，适用于分子、生物化学和生理学研究。
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方法文章
一种用于在无菌条件下评估植物对小分子响应的灵活低成本水培系统
* These authors contributed equally
本文内容
摘要
摘要
植物生物学的大量研究采用水培培养方法进行。在此工作中，一种 体外 介绍了一种用于评估植物对化学物质及其他感兴趣物质反应的水培生长系统。该系统在获得均一且健康的C3 和 C4 模式物种 拟南芥 和 Setaria viridis分别。无菌培养可避免藻类和微生物污染，而这些污染是已知的限制水培植物正常生长与发育的因素。此外，该系统具有可扩展性，既可大规模收获植物材料并尽量减少机械损伤，也可根据需要收获植物的特定部位。本文提供了一个详细的操作方案，表明该系统组装简便且成本低廉，主要利用移液器架作为植物生长的主要平台。该系统的可行性已通过以下实验验证： 拟南芥 幼苗用于评估药物AZD-8055（一种雷帕霉素靶蛋白激酶（TOR）的化学抑制剂）的作用。在根和茎中，AZD-8055处理30分钟后即可有效检测到TOR活性的抑制。此外，经AZD-8055处理的植株表现出预期的淀粉过量表型。我们建议将该水培系统作为植物研究人员监测植物诱导剂或抑制剂作用的理想方法，同时也可用于利用同位素标记化合物评估代谢通量，后者通常需要使用昂贵的试剂。
引言
利用水培法种植植物的优势在培育大型且均一的植株方面已得到广泛认可，有助于开展可重复的实验1,2,3。在此系统中，营养液的成分可在植物生长发育的各个阶段得到精确控制并实现循环利用。此外，与土壤栽培植物可能遭遇的养分匮乏和水分不足等非生物胁迫不同，水培植物的根系不会受到此类胁迫的影响4。由于水培植物所表现出的形态学和生理学特征与土壤培养的植物高度相似，该系统已被广泛应用于科研领域，因为它能够无损伤地监测根系与地上部分的生长，并实现无损采收2,5。
由于可以调节营养液的成分和浓度，大多数利用水培条件的研究都用于表征微量元素和大量元素的功能1,3,6,7,8。然而，该系统已被证明在植物生物学的广泛应用中极为有用，例....
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方案
1. 液体和固体培养基的制备
- 使用含维生素的半强度 Murashige 和 Skoog (MS) 培养基配制液体培养基 [氯化钴(II)五水合物 0.0125 mg/L、硫酸铜(II)五水合物 0.0125 mg/L、乙二胺四乙酸铁钠 18.35 mg/L、硼酸 3.10 mg/L、碘化钾 0.415 mg/L、硫酸锰一水合物 8.45 mg/L、钼酸钠二水合物 0.125 mg/L、硫酸锌七水合物 4.30 mg/L、氯化钙 166.01 mg/L、磷酸二氢钾 85 mg/L、硝酸钾 950 mg/L、硫酸镁 90.27 mg/L、硝酸铵 825 mg/L、甘氨酸 1 mg/L、肌醇 50 mg/L、烟酸 0.25 mg/L、盐酸吡哆醇 0.25 mg/L 和盐酸硫胺素 0.05 mg/L]，添加 0.25 g/L MES，并用 10 M KOH 将 pH 值调节至 5.8。
- 加入 10 g/L 琼脂，制成半强度 MS 固体培养基。使用前在 121 °C 下高压灭菌 20 分钟。
2. 水培系统的组装
注意：应严格遵循这些步骤以构建水培系统。
- 材料灭菌
- 将用作小型培养罐的移液器吸头架（不带盖子）装入高压灭菌袋中。在121 °C、15 psi条件下高压灭菌20分钟。
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- 将用作小型培养罐的移液器吸头架（不带盖子）装入高压灭菌袋中。在121 °C、15 psi条件下高压灭菌20分钟。
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结果
TOR激酶是一种主要的调控因子，在所有真核生物中整合营养和能量信号，促进细胞增殖和生长。为阐明TOR激酶在植物中的功能，已开展了包括构建突变体在内的多项研究 拟南芥 通过RNA干扰或人工微小RNA实现TOR条件性抑制的转基因品系28,30,31，鉴于TOR基因敲除植株表现出胚胎致死的表型32,33,34,35大多数条件性转基因品系受雌二醇、地塞米松或乙醇诱导型启动子调控，这些品系也可利用该水培系统。
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讨论
这种优化的水培结构能够成功实现植物的体外培养。种子在移液枪头平坦表面的固体培养基上萌发良好，相较于将种子浸泡在营养液中的系统，具有显著优势。该系统的一大优点是，在幼苗发育过程中，根系可直接与液体培养基接触，无需进行转移操作。此外，可在较小体积的液体培养基中方便地施加化学处理。系统内湿度保持较高，避免了营养液的蒸发及其补充需求。同时，在幼苗建立阶段可轻松实现均匀的生长与发育；当使用小型容器及处于该发育阶段的幼苗时，无需额外供气1，10，18。为确保系统完全无污染，关键步骤是对所用材料进行彻底灭菌，并在组装过程中进行严格操作。由于部分组件无法在高压灭菌器中灭菌（例如，一次性塑料盒），强烈建议先用70%乙醇清洁，再在使用前进行短时间紫外照射。根据我们的经验，在用胶带密封平坦表面并进行培养基凝固期间使用紫外光照射，也有助于避免细菌和真菌污染。此外，操作时应避免触碰培养基，移动移液枪架时应始终握住其侧面。
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由圣保罗研究基金会（FAPESP；项目号 12/19561-0）和马克斯·普朗克学会资助。Elias F. Araújo（FAPEMIG 14/30594）、Carolina C. Monte-Bello（FAPESP；项目号 14/10407-3）、Valéria Mafra（FAPESP；项目号 14/07918-6）和 Viviane C. H. da Silva（CAPES/CNPEM 24/2013）感谢提供的奖学金支持。作者感谢法国凡尔赛国立农业研究院让·皮埃尔·布尔金研究所（Institut Jean Pierre Bourgin, INRA）的 Christian Meyer 慷慨提供抗 RPS6 抗体。作者感谢 UNICAMP 校园电视台（RTV UNICAMP）以及 Ed Paulo Aparecido de Souza Manoel 在音频录制过程中提供的技术支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 乙醇 | Merck | 100983 | |
| 次氯酸钠溶液 | Sigma-Aldrich | 425044 | |
| 聚山梨酯20 | Sigma-Aldrich | P2287 | |
| 含维生素的Murashige和Skoog（MS）培养基 | Duchefa Biochemie | M0222 | |
| 2-(N-吗啉代)乙磺酸（MES）一水合物 | Duchefa Biochemie | M1503 | |
| 琼脂 | Sigma-Aldrich | A7921 | |
| 氢氧化钾 | Sigma-Aldrich | 484016 | |
| 超净工作台 | Telstar | BH-100 | |
| 加热板 | AREC | F20510011 | |
| 生长培养箱 | Weiss Technik | HGC 1514 | |
| 玻璃培养皿（150 mm × 25 mm） | Uniglass | 189.006 | |
| 200 μL移液器吸头架 | Kasvi | K8-200-5 * | |
| 300 μL多通道移液器 | Eppendorf | 3122000060 | |
| 300 μL移液器吸头 | Eppendorf | 30073088 | |
| 200 μL移液器 | Eppendorf | 3120000054 | |
| 200 μL移液器吸头 | Eppendorf | 30000870 | |
| 剪刀 | Tramontina | 25912/108 | |
| 镊子 | ABC Instrumentos | 702915 | |
| 手术刀片 | Sigma-Aldrich | S2771 | |
| 透明胶带（45 mm × 50 m） | Scotch 3M | 5803 | |
| 一次性塑料盒，外部尺寸：353 mm（长）× 178 mm（宽）× 121 mm（高） | Maxipac | 32771 |
参考文献
- 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(2013).
- Gibeaut, D. M., Hulett, J., Cramer, G. R., Seemann, J. R.
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