水培法：研究养分分配及植物对养分可利用性和有毒元素暴露响应的多功能系统

以下方案提供了在实验室中建立水培系统的逐步操作说明。本方案已针对拟南芥（Arabidopsis thaliana）进行了优化。成功建立水培培养体系的关键因素之一是实验所用幼苗的健康状况。

因此，对器械、种子和培养基进行灭菌在降低污染风险方面起着重要作用，并为植物在移栽到水培系统之前提供良好的生长起点。在此步骤中，次氯酸钠与盐酸反应释放出的氯气对种子表面进行灭菌。在将种子转移至1.5毫升离心管之前，使用铅笔标记试管并标识种子。

建议使用铅笔标记，因为油墨在灭菌过程中可能会褪色。同时使用记号笔在试管盖上做标记。由于灭菌过程中会释放氯气，该标记应在灭菌过程中消失。

每管推荐的种子体积约为 100 微升。将已标记且管盖打开的试管放入干燥器或真空室中，并将干燥器置于正在运行的化学通风橱内。

将100毫升漂白剂倒入250毫升烧杯中，放入干燥器内并关闭干燥器的阀门。用滴定管迅速向漂白剂中加入3毫升12%的盐酸，立即盖上盖子。

让灭菌过程持续进行四小时。此处为经过四小时灭菌后，置于正在运行的层流罩中的干燥器，此时漂白剂已被移除。红色标记的褪去表明已产生足量的氯气。

将干燥器的盖子充分打开，对已灭菌的种子进行至少30分钟的通风。此后，种子可立即使用，或保存在干燥处。此步骤有助于在移栽前获得健康的幼苗。

启动种子培养板所需的物品包括：无菌种子、1/4 MS 培养基平板、无菌滤纸、密理博胶带、无菌牙签、记号笔、铝箔。首先将种子从离心管转移至无菌滤纸上。

将牙签的一端稍微润湿，用湿润的一端从滤纸上挑取种子，并将其放置在琼脂表面。将种子均匀铺开，密度约为每平方厘米一粒种子。此处我们仅使用少量种子以演示该步骤，但您可将整块培养皿铺满种子。

在培养皿盖上标注日期，以记录植物的生长年龄。使用微孔胶带将培养皿盖固定在培养皿本体上。这种胶带还能允许空气与培养皿内部微环境之间的水分交换。

用铝箔覆盖培养板以避光，然后将植物放入低温室中放置两天。可延长处理时间以促进萌发过程。与1/4 MS培养基类似，水培溶液在配制后也需要进行灭菌。

我们已成功使用以下营养液培养拟南芥（Arabidopsis thaliana），但该配方可根据特定实验需求或不同植物种类进行调整。建议将每种大量元素分别配制成母液并储存在不同的瓶中，微量元素则统一配制于一瓶中，但铁-EDTA除外。可预先配制10倍浓度的营养液用于实验，但需经高压灭菌后置于冷室中保存。

以下是制备植物培养架所需的材料：水培容器、泡沫板、美工刀、打孔器、无菌泡沫管塞、镊子。首先测量容器的尺寸。

然后根据所需尺寸切割泡沫板。此时使用美工刀会非常方便。检查泡沫板的尺寸是否与容器完全贴合。

使用小镊子固定泡沫板。根据需要调整泡沫板的大小。用铅笔标出植物将要固定的位置。

使用打孔器在泡沫板上打孔。推荐密度：每10平方厘米放置一株植物。接着，使用剃刀片沿每个泡沫塞切开一道切口。

使用剃须刀片时需格外小心。每个孔都将插入一个泡沫塞，因此孔的尺寸需与塞子成比例。

将两个塞子浸泡在去离子水中，并在水培装置搭建前进行液体高压灭菌。现在转移幼苗并安装空气泵。此为工作浓度的水培溶液。

这些是无菌泡沫管塞。这些是培养12天的培养基平板幼苗。打开平板。

使用小镊子轻轻将幼苗从培养基平板中取出，并将根部沿泡沫塞的切口摆放。小心地将带有幼苗的泡沫管插入泡沫板中，然后将泡沫板放入含有水培溶液的容器中。继续移栽，直至获得所需数量的植株。

确保泡沫管塞已浸透水培溶液。接下来我们将展示如何设置通气系统，需要使用小型水族箱用气泵、塑料管、水族箱气泡石、阀门系统和一个气泵。首先，将气路管较短的截断部分连接到气泡石上。

然后将石块连接到阀门系统。接着将阀门系统连接到泵。启动泵后，现场人员调节阀门以控制气流速率。

气流应足以提供氧气，同时避免对根系造成损伤。现在将带有幼苗的泡沫板放入水培装置中。遮盖容器侧面，以减少光照到溶液，抑制藻类生长。

同时用透明盖子盖住容器顶部，以防止强光照射导致新移栽的幼苗失水干枯。当植株长大后，移除盖子。对于关注植物营养的研究人员而言，水培实验提供了一个理想体系，可通过调节目标元素的浓度来检测植物对不同营养条件的响应。

研究人员可建立营养充足、缺乏或过量的条件。这些是按照本实验方案所述在水培系统中生长的拟南芥幼苗。植物在水培系统中生长三周后，更换水培溶液的成分。

实验人员正在对植物进行处理前更换水培溶液。使用镉这一有毒元素的储备液对水培溶液进行添加。本实验所用镉的浓度为 20 微摩尔。

溶液配制完成后，将植物重新放回容器中。经过六天处理后，暴露于镉的植物表现出生长迟缓和黄化症状。同时观察到地上部分和根系生物量均有所减少。

该图展示了在水培系统中用不同浓度锌处理的拟南芥植物的另一项实验。当锌浓度高于42 µM时，植株生长延迟，这是由于锌浓度过高所致；而未添加锌的植株与添加7 µM锌的植株相比，则因缺锌而表现出生长延迟。

总之，该水培系统既经济实惠又可扩展。它使我们能够测试植物对有毒元素的敏感性，或研究植物的营养需求。植物的根和茎可分别进行观察和采集，用于元素分析或基因表达分析。