Hydroponika: wszechstronny system do badania alokacji składników odżywczych i reakcji roślin na dostępność składników odżywczych i narażenie na pierwiastki toksyczne
July 13th, 2016
Tutaj prezentujemy łatwy do naśladowania protokół, który pozwala stworzyć udany system hydroponiczny do badań nad odżywianiem roślin. Protokół ten został szeroko przetestowany na Arabidopsis i może być łatwo dostosowany do innych gatunków roślin w celu zbadania określonych wymagań żywieniowych lub wpływu nieistotnych składników na wzrost i rozwój roślin.
Poniższy protokół zawiera instrukcje krok po kroku, jak skonfigurować system hydroponiczny w laboratorium. Protokół ten został zoptymalizowany pod kątem rzodkiewnika pospolitego (Arabidopsis thaliana). Jednym z głównych czynników, które przyczyniają się do pomyślnego założenia kultury hydroponicznej, jest zdrowie sadzonek użytych w eksperymencie.
Dlatego sterylizacja narzędzi, nasion i pożywek hodowlanych odgrywa ważną rolę w zmniejszaniu ryzyka zanieczyszczenia i zapewnia dobry start roślinom przed przesadzeniem do systemu hydroponicznego. Na tym etapie chlor gazowy uwalniany w reakcji między wybielaczem a kwasem solnym sterylizuje powierzchnię nasion. Przed przeniesieniem nasion do 1,5-mililitrowej probówki wirówkowej użyj ołówka, aby oznaczyć probówkę i zidentyfikować nasiona.
Preferowany jest ołówek, ponieważ atrament może wyblaknąć podczas sterylizacji. Oznacz również nasadkę rurki za pomocą Sharpie. Ślad ten powinien zniknąć w trakcie procesu sterylizacji z powodu uwolnienia chloru gazowego.
Zalecana objętość nasion na tubę wynosi około 100 mikrolitrów. Umieścić oznaczoną rurkę, z otwartą nakrętką, w eksykatorze lub komorze próżniowej. Umieścić eksykator w aktywnym dygestoriach chemicznych.
Wlej 100 mililitrów wybielacza do 250-mililitrowej zlewki, umieść ją w eksykatorze i zamknij zawór eksykatora. Szybko dodaj 3 mililitry 12% kwasu solnego do wybielacza za pomocą biurety. Natychmiast zamknij pokrywę.
Pozwól sterylizacji postępować przez cztery godziny. Oto eksykator w aktywnym okapie z przepływem laminarnym po czterech godzinach sterylizacji i usunięciu wybielacza. Zanikanie czerwonego znaku oznacza, że wytworzono wystarczającą ilość chloru gazowego.
Szeroko otworzyć pokrywę eksykatora i napowietrzać wysterylizowane nasiona przez co najmniej 30 minut. Następnie nasiona można zużyć natychmiast lub przechowywać w suchym miejscu. Ten krok pomaga zapewnić zdrowe sadzonki przed fazą przesadzania.
Są to elementy potrzebne do uruchomienia płytek nasiennych. Sterylne nasiona, płytki 1/4 MS, sterylna bibuła filtracyjna, taśma milipore, sterylne wykałaczki, marker, folia aluminiowa. Najpierw przenieś nasiona z probówki wirówkowej na sterylną bibułę filtracyjną.
Lekko zwilż jeden koniec wykałaczki i użyj tego nawilżonego końca, aby zebrać nasiona z bibuły filtracyjnej i położyć je na powierzchni agaru. Rozłóż nasiona na talerzu w gęstości około jednego ziarna na centymetr kwadratowy. Tutaj używamy tylko kilku nasion, aby zademonstrować ten krok, ale możesz zrobić talerz pełen nasion.
Napisz datę na wieczku talerza, aby śledzić wiek rośliny. Użyj taśmy z mikroporami, aby przymocować pokrywkę płytki do korpusu płytki. Taśma ta umożliwia również wymianę wilgoci między powietrzem a mikroklimatem wewnątrz płyty.
Użyj folii aluminiowej, aby przykryć płytę i zablokować światło przed umieszczeniem rośliny w chłodni na dwa dni. Dłuższe czasy mogą być stosowane w celu wspięcia procesu kiełkowania. Podobnie jak 1/4 stwardnienia rozsianego, roztwór hydroponiczny również należy wysterylizować po przygotowaniu.
Z powodzeniem użyliśmy następującego pożywki do uprawy Arabidopsis thaliana, ale można go zmodyfikować, aby dostosować go do konkretnych eksperymentów lub różnych gatunków roślin. Sugeruje się przygotowanie roztworu podstawowego każdego makroskładnika w różnych butelkach i wszystkich mikroelementów w jednej butelce, z wyjątkiem żelaza-EDTA. 10-krotny roztwór odżywczy można przygotować przed eksperymentem, ale musi on zostać przeklawowany w autoklawie i przechowywany w chłodni.
Poniżej znajdują się materiały potrzebne do przygotowania uchwytów na rośliny. Pojemnik hydroponiczny, płyta piankowa, nóż do papieru, świdr korkowy, sterylne zatyczki do rurek piankowych, pęseta. Najpierw zmierz rozmiar pojemnika.
Następnie przytnij płytę piankową zgodnie z potrzebnymi wymiarami. W tym przypadku pomocny jest nóż do papieru. Sprawdź, czy płyta piankowa dobrze pasuje do pojemnika.
Użyj małej pęsety, aby przytrzymać deskę. W razie potrzeby dostosuj rozmiar płyty piankowej. Użyj ołówka, aby zaznaczyć miejsca, w których rośliny zostaną zakotwiczone.
Użyj otworu korkowego, aby zrobić otwory w płycie piankowej. Zalecana gęstość:Jedna roślina na 10 centymetrów kwadratowych. Następnie wykonaj cięcie biegnące wzdłuż każdej piankowej zatyczki za pomocą żyletki.
Zachowaj szczególną ostrożność podczas używania żyletek. Każdy otwór zostanie wypełniony piankową zatyczką. W związku z tym rozmiar otworów musi być proporcjonalny do zaślepek.
Namocz dwie zatyczki w wodzie dejonizowanej i płynnym autoklawie przed założeniem hydroponiki. Teraz przenieś sadzonki i ustaw pompę powietrza. Jest to roztwór hydroponiczny o stężeniu roboczym.
Są to sterylne zatyczki do rurek z pianki. A to są 12-dniowe sadzonki o średniej płytce. Otwórz talerz.
Użyj małej pęsety, aby delikatnie wyciągnąć sadzonkę z pośredniej płytki i połóż korzeń wzdłuż nacięcia korka piankowego. Ostrożnie włóż rurkę piankową przytrzymującą sadzonkę do płyty piankowej i umieść deskę w pojemniku z roztworem hydroponicznym. Kontynuuj przesadzanie, aby uzyskać pożądaną liczbę roślin.
Upewnij się, że zatyczki rurki piankowej są nasączone roztworem hydroponicznym. Następnie pokażemy, jak skonfigurować system napowietrzania, używając małych pomp powietrza typu akwariowego, potrzebne są plastikowe rurki, kamienie bąbelkowe akwariowe, system zaworów i pompa powietrza. Najpierw podłącz krótką, odciętą część rurki przewodu powietrznego do kamieni bąbelkowych.
Następnie podłącz kamienie do systemu zaworów. Następnie podłącz układ zaworów do pompy. Po uruchomieniu pompy osoba znajdująca się w scenie reguluje zawór, aby kontrolować natężenie przepływu powietrza.
Przepływ powietrza powinien być wystarczający do dostarczenia tlenu bez powodowania uszkodzenia systemu korzeniowego. Teraz umieść płytę piankową z sadzonkami w zestawie hydroponicznym. Przykryj boki pojemnika, aby ograniczyć dopływ światła do roztworu i ograniczyć rozwój glonów.
Przykryj również pokrywy pojemników przezroczystymi nakrętkami, aby zapobiec intensywnemu światłu, które mogłoby wysuszyć nowo przesadzone sadzonki. Gdy rośliny staną się większe, zdejmij czapki. Dla naukowców zainteresowanych składnikami odżywczymi roślin, eksperymenty hydroponiczne stanowią idealny system do testowania reakcji roślin na różne warunki odżywcze poprzez manipulowanie stężeniami interesujących ich pierwiastków.
Naukowcy mogą ustalić warunki wystarczającego poziomu składników odżywczych, niedoboru lub toksyczności. Są to sadzonki rzodkiewnika uprawiane w systemie hydroponicznym, jak opisano w protokole. Roślinom pozwolono rosnąć przez trzy tygodnie w systemie hydroponicznym przed zmianą składu roztworu hydroponicznego.
Osoba na scenie odnawia roztwór hydroponiczny przed podaniem leczenia roślinom. Podstawowy roztwór toksycznego pierwiastka kadmu został użyty do zwiększenia roztworu hydroponicznego. Stężenie kadmu użyte w tym eksperymencie wynosiło 20 mikromolów.
Po przygotowaniu roztworu rośliny są następnie zwracane do swoich pojemników. Po sześciu dniach zabiegów rośliny wystawione na działanie kadmu wykazywały opóźniony wzrost i objawy chlorozy. Obserwuje się również zmniejszenie biomasy zarówno pędów, jak i korzeni.
Ten rysunek pokazuje inny eksperyment dla roślin Arabidopsis uprawianych w systemie hydroponicznym, gdzie traktowano je różnymi stężeniami. Rośliny uprawiane przy stężeniu wyższym niż 42 mikromolowe wykazywały opóźniony wzrost z powodu wysokich stężeń. Podczas gdy rośliny bez dodatku również wykazywały opóźniony wzrost z powodu niedoboru w porównaniu z roślinami uprawianymi z 7 mikromolami.
Podsumowując, ten system hydroponiczny jest zarówno niedrogi, jak i skalowalny. Dzięki niemu możemy badać wrażliwość roślin na pierwiastki toksyczne lub badać zapotrzebowanie roślin na składniki odżywcze. Zarówno korzenie, jak i pędy można obserwować i zbierać oddzielnie w celu analizy pierwiastkowej lub analizy ekspresji genów.
Przegląd
Ten artykuł przedstawia szczegółowy protokół do ustanowienia systemu hydroponicznego zoptymalizowanego dla badań nad odżywianiem roślin, szczególnie u Arabidopsis thaliana. Metoda ta może być dostosowana dla różnych gatunków roślin w celu zbadania wymagań żywieniowych oraz wpływu niezbędnych pierwiastków na wzrost.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Biologia roślin
- Hydroponics
- Odżywianie roślin
Tło
- Hydroponics umożliwia kontrolowane badania nad odżywianiem roślin.
- Zdrowie sadzonek jest kluczowe dla udanego ustanowienia kultury hydroponicznej.
- Sterylizacja materiałów zmniejsza ryzyko skażenia.
- Arabidopsis thaliana służy jako organizm modelowy w badaniach nad roślinami.
Cel badania
- Aby zapewnić niezawodny protokół do ustanowienia systemu hydroponicznego.
- Aby ułatwić badania nad potrzebami żywieniowymi roślin.
- Aby zbadać wpływ niezbędnych pierwiastków na rozwój roślin.
Zastosowanie metod
- Sterylizacja nasion za pomocą wybielacza i kwasu solnego.
- Przygotowanie sterylnego podłoża do wzrostu i roztworów hydroponicznych.
- Przesadzenie sadzonek do ustawienia hydroponicznego.
- Ustanowienie systemu aeracji dla optymalnej oksygenacji korzeni.
Główne wyniki
- Udane ustanowienie sadzonek w środowisku hydroponicznym.
- Zdemonstrowane metody utrzymania sterylnych warunków.
- Podane wytyczne do przygotowania roztworu żywnego.
- Określone skuteczne techniki aeracji dla wzrostu roślin.
Konkluzje
- Protokół jest przystosowany dla różnych gatunków roślin.
- Systemy hydroponiczne są skuteczne w badaniu nad odżywianiem roślin.
- Właściwa sterylizacja i aeracja są kluczową sprawą w hydroponice.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Hydroponic systems provide a controlled environment for studying plant nutrient allocation and responses to toxic elements, supporting early-stage target validation in agricultural biotechnology. The method enables mechanistic de-risking by isolating nutrient variables and quantifying phenotypic outputs, which informs lead identification for crop improvement programs. This approach enhances predictive confidence in preclinical models by allowing reproducible, scalable testing of genetic or chemical interventions under defined nutrient conditions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses related to nutrient sensing and toxicity response pathways in plant models.
- Operational Value: Supports biological de-risking through controlled manipulation of essential and non-essential elements to clarify gene function.
- Predictive Value: Facilitates portfolio triage by quantifying growth responses to nutrient deficiency or toxic exposure, informing target prioritization.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream screening by ensuring healthy, contaminant-free seedlings with intact roots.
- Operational Value: Promotes assay standardization and reproducibility through defined nutrient solutions and aeration controls.
- Scalability: Enables reliable compound evaluation in nutrient-sufficient, deficient, or toxic conditions for high-throughput phenotypic screening.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Connects discovery-phase nutrient response data to preclinical validation through measurable biomass and chlorosis endpoints.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports go/no-go decisions by linking nutrient manipulation to observable phenotypic outcomes in disease-relevant systems.
- Biomarker Alignment: Enables correlation of elemental exposure with gene expression or elemental analysis for translational biomarker development.
Pipeline & Workflow Integration
The hydroponic method integrates into the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical testing, particularly for traits related to nutrient use efficiency and stress tolerance.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by allowing precise control over nutrient availability and toxic element exposure.
- Screening: Delivers assay readiness through standardized seedling establishment and reproducible hydroponic setup across experimental replicates.
- Analytics: Enables quantitative comparison of shoot and root biomass, chlorosis symptoms, and elemental uptake as measurable outputs for condition comparison.
- Translational Research: Links nutrient response phenotypes to preclinical continuity via observable growth defects and molecular changes under defined treatment conditions.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable platform for screening genetic variants or chemical agents across multiple nutrient conditions without reformulation of core system.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in nutrient signaling pathways.
- Operational Value: Ensures standardization, reproducibility, and scalability through sterile technique and defined solution preparation.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital efficiency by enabling early detection of nutrient-sensitive or toxicological liabilities.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by quantifying dose-dependent responses to essential and non-essential elements.
Implementation Considerations
- Requires expertise in plant sterile technique, nutrient solution preparation, and hydroponic system assembly.
- Dependent on access to autoclave, chemical fume hood, and controlled growth environments for seedling establishment.
- Necessitates cross-team standardization of nutrient protocols and contamination controls for multi-lab reproducibility.
- Requires adaptation of foam board hole density and solution volume when scaling to different plant species or container sizes.
- Limited by the need for manual transplanting and monitoring, which may constrain throughput without automation integration.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Title
0:34
Vapor-phase Sterilization of Arabidopsis Seeds
2:07
Prepare Seed Plates
3:26
Prepare Hydroponic Solution
3:59
Prepare Plant Holder and Hydroponic Containers
5:07
Transfer Seedlings from Medium Plates and Set up the Air-pump System
7:05
Examples of Plant Nutrient Experiment Using Hydroponic Setup
8:18
Representative Results
8:43
Conclusion
