Гидропоника: универсальная система для изучения Питательные выделение и ответов на завод снижает доступность питательных веществ и воздействия токсичных элементов

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

doi:10.3791/54317

Method Article

Гидропоника: универсальная система для изучения Питательные выделение и ответов на завод снижает доступность питательных веществ и воздействия токсичных элементов

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

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

Здесь мы представляем простой для понимания протокол для создания успешной гидропонной системы для исследований питания растений. Этот протокол был тщательно протестирован на Arabidopsis и может быть легко адаптирован к другим видам растений для изучения конкретных потребностей в питательных веществах или влияния второстепенных элементов на рост и развитие растений.

Abstract

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

Гидропонных систем были использованы в качестве одного из стандартных методов исследований биологии растений и также используются в промышленном производстве в течение нескольких культур, в том числе салата и помидор. В рамках научно-исследовательского сообщества растений, многочисленные гидропонные системы были разработаны для изучения реакций растений к биотическим и абиотическим стрессам. Здесь мы представляем гидропонную протокол, который может быть легко реализована в лабораториях, заинтересованных в проведении исследований по вопросам минерального питания растений.

Этот протокол описывает гидропоники система, созданная в деталях и подготовка растительного материала для успешных экспериментов. Большинство материалов, описанных в данном протоколе могут быть найдены за пределами научных сбытовых компаний, в результате чего созданы для гидропоники экспериментов дешевле и удобнее.

Использование гидропонной системы роста является наиболее предпочтительным в тех ситуациях, когда нужно питательных сред, чтобы хорошо контролировать и при неповрежденной роOTS должны быть собраны для последующих применений. Мы также продемонстрировать, как концентрация питательных веществ могут быть изменены, чтобы побудить реакции растений на обоих основных питательных веществ и токсичных несущественных элементов.

Introduction

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

Растения являются одними из немногих организмов , которые могут синтезировать все необходимые метаболиты из неорганических ионов, воды и СО ₂ с использованием энергии захваченного от Солнца ^1. Гидропоника метод выращивания растений, который использует этот факт, предоставляя все питательные вещества, в их неорганической форме, в жидком растворе с добавлением или без твердых средах. Гидропоники системы широко используются учеными для изучения потребности в питательных веществах , а также токсичность некоторых элементов в Arabidopsis и других видов растений ^2-5. Например, Березин и др. ^3, Конн и др. ⁴ и Alatorre-Кобос и др. ² использовали гидропонные системы и несколько видов растений , в том числе томатов и табака, чтобы произвести достаточное количество растительной биомассы для минерального анализа ^2-4. Промышленное применение гидропоники были также разработаны для таких культур, как томаты и салат ^6. Здесь мы оutline использование гидропоники в контексте исследований, возможных вариаций доступных методов, и, наконец, представить систему, которая может быть легко масштабируется и полезной для научно-исследовательских лабораторий, заинтересованных в изучении минерального питания растений.

Гидропоники системы позволяют легко разделения корневой ткани и точного контроля питательной доступности

Гидропоника предлагает несколько преимуществ по сравнению с почвенно-системами. Когда удаляется из почвы, корневая ткань часто механически стриженый вызывая потерю ткани или повреждения. Это особенно актуально для тонких корневых структур, таких как боковые корни и корневые волоски. Гидропоники системы, которые не используют инертный носитель в виде частиц позволяют менее инвазивный разделение корней и проростков тканей.

В почвенных системах, изменения питательных веществ биодоступности по всей матрице почвы в качестве питательных веществ связываются с частицами почвы, создавая микро-среды в почве. Это чeterogeneity может добавить дополнительный уровень сложности в экспериментах, требующих точного контроля на внешней концентрации питательных веществ или других молекул. В противоположность этому, Гидропонное раствор однороден и может быть легко заменен на протяжении всего эксперимента.

Варианты гидропонных систем

Все гидропоники культуры полагаются на питательный раствор, чтобы доставить необходимые элементы на завод. В дополнение к питательные вещества, корни также нуждаются в стабильное снабжение кислородом. Когда корни становятся аноксическими они не в состоянии занять и транспортных метаболитов к остальной части тела растений ^7. Гидропонных систем можно классифицировать на основе того, как они поставляют кислород и другие питательные вещества к корням: доставку кислорода путем насыщения раствора с воздухом (классические гидропонике), по не погружая корни во все времена, или позволяя корням быть полностью подвержены воздух (аэропоники) ^8. В гидропонике,питательный раствор может быть насыщен воздухом до его использования и часто изменяется, или воздух можно непрерывно подавать в растворе в течение всего жизненного цикла растения ^9. В качестве альтернативы, растения также можно выращивать в инертной среде (например, Rockwool, вермикулит, или керамзита) и подвергали мокрому сухих циклов наплывы раствора через средства массовой информации или периодически погружая субстрат в питательном растворе ^10. В аэропоники, корни опрыскивают питательным раствором, чтобы предотвратить высыхание.

Недостатки системы гидропоники

Хотя гидропоника культуры имеют явные преимущества по сравнению с почвенно-системами, есть некоторые соображения, которые должны быть подтверждены при интерпретации данных. Например, системы гидропоники подвергать растений к условиям, которые могут рассматриваться как нефизиологичного. Таким образом, фенотип или реакции растений обнаружены с помощью гидропоники системы могут различаться по величине WHeп растения выращивают в альтернативных системах (например, почвы или агар на основе средств массовой информации). Эти соображения не являются уникальными для гидропонных систем; дифференциальные ответы также можно наблюдать , если растения выращивают в разных типах почв ^11,12.

Следующий протокол обеспечивает шаг за шагом инструкции о том, как настроить систему гидропоники в лаборатории. Этот протокол был оптимизирован для Резуховидка Таля (Arabidopsis); Тем не менее, подобное или в некоторых случаях идентичные шаги могут использоваться для выращивания других видов.

Protocol

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

1. Рассада Питомник

Парофазной стерилизации семян Arabidopsis
1. Залить семена (40-50 мг) в 1,5 мл центрифужные пробирки. (Смотри рисунок 1 для соответствующего объема семян, ~ 50 мкл). Добавьте каждую пробирку с карандашом (чернила могут неувядающий во время стерилизации). Поместите каждую помеченную пробирку, крышка открыта, в эксикаторе ^13.
2. Поместите эксикаторе в активной вытяжкой и закрытия клапана эксикаторе в.
3. Алиготе 100 мл отбеливателя (NaClO 6,15%) в химическом стакане емкостью 250 мл, а затем поместить его в эксикаторе.
4. Быстро добавляют 3 мл 12 М соляной кислоты до хлорной извести с использованием передачи пипетки. Быстро закрыть крышку эксикаторе, как реакция протекает быстро. Дайте стерилизацию провод т в течение 4 ч (маркировка трубки с чернилами и видеть чернила исчезают помогает визуализировать, что достаточное количество газообразного хлора было сгенерировано).
  ВНИМАНИЕ: газообразный хлор является токсичным; ручкаего остатки с дополнительными мерами безопасности в функциональном вытяжкой. Свяжитесь с местными властями или посетить веб - страницу по гигиене окружающей среды и Департамента безопасности - Университет Миссури (ЭШ-MU) ¹⁴ для химической безопасности и рекомендации по использованию вытяжку: https://ehs.missouri.edu/chem/~~HEAD=dobj.
5. Через пятнадцать минут до стерилизации завершен (3,75 ч), повернуть на колпаке с ламинарным потоком и очистки поверхности с помощью 70% этанола.
6. После 4 ч стерилизации открыть клапан, на короткое время снять крышку эксикаторе внутри вытяжного шкафа, удалите отбеливатель, и утилизировать его в соответствии с институциональными процедурами. Этот шаг будет выпускать большую часть паров хлора. Уплотнение стерилизационной камеры и довести ее до ламинарный. Откройте крышку широко и проветрить простерилизованные семена в течение примерно 40 мин. По истечении этого времени, используйте семена сразу или хранить в сухом месте.
  Примечание: парофазной стерилизации семян рекомендуется, но и другие методы сукан в качестве заместителей промывок этанол, хлорной извести и воды , как описано в Alatorre-Кобос и др. ² одинаково эффективны.
Питательные среды для прорастания семян
Примечание: медиакультура полученное на этом этапе является ¼ Мурасиге и Скуга (МС) с витаминами ^15.
1. Добавить 450 мл деионизированной воды (ДИ воды), 0,55 г. МС носитель плюс витамины, 0,3 г MES (гидрат 4-morpholineethanesulfonic кислоты) и магнитной мешалкой в стеклянный стакан емкостью 1 л.
2. Растворить и довести рН до 5,7 с помощью NaOH, а затем добавить 3,5 г phytoagar. Продолжайте перемешивание раствора в течение более 5 минут.
3. Залить весь раствор в градуированный цилиндр и добавить деионизованной воды до 500 мл. Автоклав емкостью 500 мл этого раствора с помощью магнитной мешалки внутри, с использованием 1 л автоклавируемы бутылку.
4. После того, как раствор выдерживают в автоклаве, Раствор перемешивают в течение 7-10 мин с помощью магнитной мешалки в бутылке.
5. После того, как средства массовой информации остыладо 50-60 ° С, влить носитель в планшетах в стерильных условиях и дайте ему затвердеть. Пластины могут быть сохранены для последующего использования в холодной комнате.
Семя металлизированный
1. Включите ламинарного потока капот 15 мин до использования и очистки поверхности с 70% этанола. Следующие пункты необходимы: стерильные семена, фильтровальной бумаги, зубочистки, микропоры ленты и ¼ MS пластин.
2. Поместите стерильные семена на стерильной фильтровальной бумаге. Слегка влажный один конец стерильной зубочисткой (стерильной водой или тыкая носитель ¼ MS). Используйте этот увлажненной конец, чтобы выбрать семена из фильтровальной бумаги, а затем положите их на поверхность носителя.
3. Распространение семян в лунки планшета при плотности примерно 1 семени на см ² (рисунок 2). Затем используйте микропор ленту, чтобы держать пластины крышку, прикрепленную к пластине тела. Этот тип ленты помогает предотвратить загрязнение, позволяя газообмен между воздухом и микроклиматом insidе пластины.
4. До прорастания, стратифицировать семена, сохраняя пластины два дня в холодном помещении покрыты от света.
5. После стратификации, поместите семена в ростовой камере или в месте с оптимальными условиями роста (23 ° С, 16 ч света / 8 ч темноты и 60% относительной влажности для Arabidopsis). Рассада будет готова к гидропонике через 10-12 дней после появления всходов.
  Примечание: Во время прорастания может быть значительной конденсации под крышкой пластины, чтобы предотвратить утопление, избыток воды должен быть отброшен в стерильных условиях в вытяжном шкафу с ламинарным потоком.

2. Установка гидропоники и трансплантационной процесса

гидропоники решение
Примечание: Как уже упоминалось во введении, растения могут иметь специфические потребности в питании арабидопсиса успешно выращены с питательным раствором , показанной в таблице 1 ¹⁶ В зависимости от поставщиков, то..соли, перечисленные здесь, могут иметь различное содержание воды (гидратированный) и с использованием таких альтернатив не влияет на свойства питательного раствора до тех пор, как молярность поддерживается на постоянном уровне.
1. Готовят исходные растворы каждого в различных макро- бутылок (таблица 1) и всех микронутриентов , кроме Fe-ЭДТА в стерильной бутылке (стерилизуют фильтрацией с использованием мембраны 0,22 мкм). Всегда добавляйте Fe-ЭДТА, наконец, при смешивании раствора. Приготовьте раствор 10x питательных веществ в заранее эксперимента, но автоклава и хранят при температуре 4 ° C. Используйте или изменить питательные вещества, только тогда, когда питательный раствор достигнет комнатной температуры.
высадка рассады
1. Подготовьте держатель растений и гидропонные контейнеры
  1. Сделайте надрез в пене, проходящую вдоль его длины с помощью лезвия бритвы (смотри рисунок 3). Подготовьте одну пробку на растение.
  2. пробки пены трубка жидкостным автоклав замачивают в деионизированной воде.
  3. Вырезать панель пены на более мелкие доски, убедившись , что ширина и длина пенопластовых плит являются 0,5-1,0 см меньше , чем размер контейнера (смотри рисунок 4).
  4. Использование пробки мотылька для создания отверстий на пенополистирол. Плотность растений должны быть равномерно распределены, в идеале 1 растение на 10 см ^2. Эта плотность будет держать растения аккуратно, отделенных друг от друга; более высокие плотности, однако возможны и не исключает возможности успешного проведения экспериментов. Убедитесь , что размер отверстий соответствует размеру пробки (смотри рисунок 4).
  5. Заполните контейнеры с питательным раствором. Убедитесь, что глубина раствора достаточно для развития корневой системы (по крайней мере, 5 см). Затем аккуратно поместите пенопластовые плиты на поверхность раствора.
  6. Настройка системы воздушного насоса для подачи кислорода в раствор (рисунок 5).
    Примечание: Заполните гидропоники контейнер с питательным раствором ЮКРе сутки рассаду пересаживают. Покрытие боковых сторон контейнера от света поможет предотвратить рост водорослей.
2. Передача Саженец из пластин в гидропонной системе
  1. Используйте небольшие пинцет, чтобы осторожно потяните каждый саженец из средней пластины и лежал корень вдоль разреза пены трубы пробки. Аккуратно вставьте трубку пены держит саженец в пенополистирол затем поместите доску обратно в гидропонной контейнер. Смотрите рисунок 6 для соответствующей манипуляции.

3. гидропоники Эксперименты

Питательный раствор замена и манипулирование
1. Замена питательного раствора
  1. Для замены питательного раствора, готовят свежий раствор гидропоники, как описано в шаге 2.1. Удалите пенополистирол, содержащий растения из гидропонной контейнера и поместите его во временный контейнер, заполненныйвода или гидропоника раствор.
  2. Выбросьте старый раствор, промойте контейнер на короткое время трижды дистиллированной водой. Добавьте свежеприготовленный раствор гидропоники в этот контейнер и аккуратно поместите пенополистирол с растениями обратно в гидропонной контейнер. Заменить гидропонного раствора дважды в неделю.
2. Изменение питательного состава гидропонного раствора
  1. Отрегулировать состав гидропонного раствора , показанного в таблице 1 , чтобы изменить конечную концентрацию элемента , представляющего интерес. Например, чтобы вызвать железа (Fe) дефицит, модифицировать гидропонного раствора, чтобы уменьшить концентрацию Fe-ЭДТА. Включите набор контрольных растений, выращенных на полном (или сытой) гидропоника решения, без каких-либо изменений, для сравнения.
  2. Для того, чтобы манипулировать питательного раствора с токсичным элементом, сначала подготовить независимый исходный раствор желаемого токсичного элемента, предпочтительно 1,000x концентрированным. ИспользоватьПипетка к спайку гидропонного раствора с токсическим элементом при желаемой конечной концентрации с использованием 1,000x концентрированного состава.
  3. Например, для того , чтобы сделать 3 л гидропонного раствора , содержащего 20 мкМ кадмия, готовят ₂ запас 0,5 М CDCL, и добавляют 120 мкл ₂ М запаса 0,5 CdCl в 3 л гидропонного раствора. Включите набор управления растений , выращенных на гидропонике без CdCl ₂ для сравнения.
    ВНИМАНИЕ: Токсичные элементы, такие как кадмий, мышьяк и свинец очень опасны для здоровья человека и окружающей среды. Пожалуйста , обратитесь в правоохранительные органы или посетите веб - странице EHS-MU (https://ehs.missouri.edu/train/chemical.html) ¹⁴ для инструкций по безопасности окружающей среды и здоровья до проведения экспериментов.
Стерилизации инструмента для последующих экспериментов
1. Поскольку почти весь материал, используемый для приготовления гидропонной настроить может бытьповторно, очистить различные части с разбавленным отбеливателем (NaClO 0,6%).
2. После промывания с отбеливателем, промойте все материалы тщательно дистиллированной водой. Хранить контейнеры, пенопластовые доски, и аквариум пузыря камни в сухом месте для дальнейшего использования. Пенные пробки готовы к повторному использованию после удаления корней и автоклавной обработки.

Results

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

В этом разделе представлены результаты двух типов экспериментов, с использованием гидропоники системы, описанной здесь, представлены. В первом эксперименте, питательный раствор был модифицирован для получения различных концентраций цинка. Мы также изменили питательный раствор, добавляя несмертельного концентрации токсичных элементов кадмия (Рисунок 7). Во втором эксперименте мы использовали индуктивно связанной плазмой оптического эмиссионной спектрометрии (ICP-OES) ¹ для измерения элементного состава корней и листьев растений , выращенных в гидропонного раствора , содержащего кадмий (рисунок 8). Этот эксперимент иллюстрирует преимущества получения корней и листьев отдельно.

Эксперимент 1

Arabidopsis рассады (Col-0) выращивали в гидропонной системе , описанной в прotocol шаги 1 и 2. Растения позволяли расти в общей сложности 3 недели до обработки с различными концентрациями цинка (рис 7A-B) или нелетального концентрации кадмия (рис 7С). Через шесть дней после обработки, растения , выращенные при высоких концентрациях цинка (> 42 мкм) , показали задержка роста из - за токсичности Zn, в то время как растения без дополнительного цинка добавил также показывают задерживал рост по сравнению с растениями , выращенными с 7 мкМ Zn ^2+. Рисунок 7 показывает также сокращение роста побегов, рост корней и листьев хлоротичное симптомы , характерные для растений , подвергшихся воздействию кадмия (рис 7С).

Эксперимент 2

Col-0 растения выращивали, как описано в пунктах 1 и 2. После того, как две недели (изобилует) раствор немодифицированного был заменен на 80 мл гидропонного раствора, содержащего 20 мкМ Cd. Через 72 часас, корневые ткани промывали путем переноса всей пенополистирол с растениями в новый сосуд, содержащий 80 мл Трис 20 мМ (рН 8,0) и 5 мМ ЭДТА. Это решение будет удалить тяжелые металлы, присоединенные к поверхности корня. Растения инкубировали в ЭДТА раствора на ротационном шейкере в течение 5 минут. ЭДТА раствор затем заменен 80 мл деионизированной воды и растения инкубировали на ротационном шейкере в течение еще 5 минут. Эта промывка шаг деионизированной водой повторяли дважды. После промывки растений дистиллированной водой, листьев и корней ткани собирали независимо друг от друга и обрабатывали для ICP-OES ^1. Рисунок 8 показывает , что элементный состав листьев отличается от корней, где макроэлементов (Ca, K, и Mg) в ткани листьев присутствуют в более высокой концентрации по сравнению с корнями. С другой стороны, микроэлементов, таких как Zn и Fe преимущественно накапливаются в корнях. Было обнаружено, что концентрация неосновной элемента кадмия быть привет Gher в корнях по сравнению с побегами.

figure-results-1
Рисунок 1. парофазной стерилизации семян Arabidopsis. (А) количество семян Arabidopsis в 1,5 мл центрифужные пробирки. (B) Трубки , содержащие семена с крышками открытыми в держателе стойки трубы готовы к стерилизации, одна трубка с чернилами маркировкой на крышке включен. (C) Стерилизация установить внутри эксикаторе, крышка и клапан закрыт. (D) Чернила знак на крышке трубки , включенной в процессе стерилизации семян с сильным цветом чернил маркой до и после стерилизации. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Файлы / ftp_upload / 54317 / 54317fig2.jpg "/>
Рисунок 2. Семя металлизированный шаг. (A) Семена помещают на стерилизованной бумагу перед тем металлизированный. Стерилизованный зубочисткой также требуется для этого шага. (Б) Слегка смочить конец зубочистки со средствами массовой информации или воды на стороне средней пластины. (C) Семена перемещаются в ¼ MS пластины. (D) Идеальная плотность семян ≈1 семян / см ^2. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-2
Рисунок 3. Пена плагин используется для хранения рассады в питательном растворе. Надрез на половину пены трубы пробки помогает удерживать саженец во время высадки рассады из пластин в гидропонике.Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-3
Рисунок 4. Пена подготовка доски. (A) Проверьте размер шаблона пенополистирол с размером контейнера перед приготовлением пены доски в больших количествах. Два маленьких перфораций, сделанные в центре доски пены сделать его легче держать и обрабатывать пену с помощью пинцета. (B- C) Пробка буром используется для создания отверстий на пенополистирол. (D) Проверьте правильность посадки между трубчатой пробки пены и отверстия , созданного на пенополистирол. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

. Рисунок 5. Установка воздушного насоса для гидропонного эксперимента из виду сверху (А) и бокового обзора (B) Цифры указывают: 1 - насос подачи воздуха; 2 - пластиковые трубы, соединяющий воздушный насос с системой клапанов для регулирования потока воздуха; 3 - клапанная система; 4 и 5 - пластиковые трубы, соединяющий систему клапанов с пузырем камнями для аэрации; 6 и 7 -. Пузырьковые камни (продаются за аквариумах) Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-4
Рисунок 6. Перенос рассады в гидропонной системе. (A) Используйте пинцет , чтобы взять саженец из средней пластины. (B) Поместите саженец слт вдоль разреза на пенопласт трубы пробки. (C) Вставьте пены пробки вилку в пенополистирол. (D) завершена установка платы пена с саженцами готовы быть размещены на питательный раствор. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-5
Рисунок 7. Питательные растворы могут быть модифицированы , чтобы испытать дефицит или токсические эффекты элементов 4-недельных гидропонике выращены арабидопсиса через 6 дней после обработки:. (AB) растений , выращенных с 0, 7, 14, 21, 28, 35, 42, и 50 мкМ Zn. Растения, выращенные при высоких концентрациях Zn (> 42 мкМ) показывают, задержка роста (токсичность), тогда как предприятия без Zn добавил также показывают с задержкой роста (дефицита питательных веществ) по сравнению с растениями, выращенными с 7 мкМ Zn ^2+. (C) Растения , выращенные в отсутствии (слева) или в присутствии 20 мкМ Cd в питательном растворе (снимок был сделан после того, как 6 дней воздействия Cd). Кадмий вызывает хлороз и уменьшает рост. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-6
Рисунок 8. элементный состав корней и побегов из растений , выращенных гидропонике. Побеги содержат больше макроэлементов (Ca, K, Mg) по сравнению с корнями в то время как основные микроэлементы цинк и железо в большей степени сконцентрированы в корнях. Аналогично несущественного элемент кадмий преимущественно накапливается в корнях. Столбики ошибок обозначают доверительные интервалы 95% (n = 14, побеги и п = 9, корни)._upload / 54317 / 54317fig8large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Тип питательного вещества	Соль / Реагент	Концентрация в растворе гидропонного	Ед. изм
макроэлементов	KNO ₃	1.250	мМ
макроэлементов	KH ₂ PO ₄	0.625	мМ
макроэлементов	MgSO ₄	0.500	мМ
макроэлементов	Са (NO ₃₎ ₂	0.500	мМ
питательный микроэлемент	H ₃ BO ₃	17,500	мкМ
питательный микроэлемент	MnCl ₂	5.500	мкМ
питательный микроэлемент	ZnSO ₄	0.500	мкМ
питательный микроэлемент	Na ₂ MoO ₄	0.062	мкМ
питательный микроэлемент	NaCl ₂	2.500	мкМ
питательный микроэлемент	CoCl ₂	0.004	мкМ
питательный микроэлемент	FeEDTA	12,500	мкМ

Таблица 1. Концентрация Эффективное питательных веществ в гидропонных растворе.

Discussion

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

Здоровье рассады, используемых для гидропоники является одним из основных факторов, способствующих успеху гидропоники эксперимента. Стерилизация инструментов, семян и средств массовой культуры также играют важную роль в снижении риска заражения и обеспечить хороший старт для растений перед их пересаживают в гидропонной системе. Рабочая среда с такими удобствами, как автоклав, вытяжкой, холодной комнате (4 ° C), и пространство роста с контролируемых условиях (интенсивность света и температуры) необходимо для хорошей экспериментальной настройки.

Свежесть питательного раствора также определяет здоровье растений и, в свою очередь определяет успех гидропонной эксперимента. Так как вода испаряется быстрее под прямым освещением, концентрация солей будет меняться из-за уменьшения общего объема раствора; поэтому лучше всего изменить гидропонного решение, по крайней мере два раза в неделю. Однако, если большие, глубокие контейнерыоборудован системой воздушного насоса используются не может быть необходимо заменить питательный раствор для экспериментов, которые являются короткими по продолжительности. Обратите внимание , что в случае Arabidopsis мы использовали Magenta сосуды (77 мм х ширина 77 мм длина х 97 мм высота) , но и другие, более крупные контейнеры также могут быть использованы для размещения больших растений.

Для исследователей , заинтересованных в питательные вещества для растений, гидропоника эксперименты дают уникальную установку для тестирования растений фенотипы и ответы на разной доступностью ¹⁷ питательных веществ. Манипулируя концентрациями элементов, представляющих интерес, исследователи могут создать различные эксперименты, чтобы проверить эффекты достаточности, недостаточности или токсических концентраций основных и неосновных необходимых питательных веществ. По сравнению с системой почвенной основе, Гидропонное система обеспечивает более однородную питательную среду для растений с меньшим риском почвенными заболеваний. Кроме того, как корневой системы и побегов ткани могут быть собраны и разделены легкодля дальнейших анализов на конкретных тканях растений.

В репрезентативной секции, мы представили два примера, в которых простая гидропоника система была использована для более детальных исследований по вопросам питания растений. В первом примере, при выращивании растений на градиенте концентрации цинка, мы смогли проиллюстрировать уровень управления, который может быть достигнут на состав питательных веществ с использованием этой системы гидропоники. Растения, выращенные с 7 мкМ Zn росли гораздо более интенсивно по сравнению с растениями, выращенными в 50 мкМ Zn, в то время как растения, выращенные без дополнительной Zn были добавлены низкорослыми по сравнению с растениями, выращенными с 7 мкМ Zn. Это было отчасти из-за продолжительности времени растения дают расти при достаточных условиях; Ранее удаление Zn из СМИ, скорее всего, чтобы вызвать сильные симптомы цинк-дефицитных. Применяя тот же принцип, что мы были способны вызывать токсичность с использованием несущественного металла, кадмий, который, как известно, ухудшают рост растений.

В секундуНапример, элементный состав Col-0 корней и побегов обрабатывают 20 мкМ Cd в течение 72 ч определяли с помощью ICP-OES. Мы обнаружили различия во всех обнаруженных металлов между корней и побегов. Макро-элементы были найдены в более высоких концентрациях в побегах по отношению к корням, в то время как железо и цинк были обнаружены в большем количестве в корнях. Кадмий следуют схеме, похожей на железо и цинк, будучи более концентрированным в корнях по сравнению с побегами. Эти данные укрепляют идею , что листья и корни предоставляют различную информацию о состоянии ionome растения и , следовательно , обе ткани необходимо анализировать отдельно , чтобы понять , минерального питания и состава на уровне всего завода. К тому же ICP-OES несколько спектроскопических методов , таких как атомно - абсорбционной спектроскопии (ААС) или с индуктивно связанной плазмой масс - спектрометрии (ICP-MS) также может быть использован для измерения элементного состава (ionome) из тканей растений ^18-20.

В hydroponiс экспериментом, симптомы и фенотипы растений, отвечающих различным питательным условиях представляют собой начало того, что можно было бы распространить на более обстоятельные анализы, такие как экспрессии генов (транскриптомика) и белка (обилие протеомики). Эти методы являются -omic ключи для интеграции метаболизм растений, рассматривая процессы в ткане-специфичны.

Disclosures

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

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Acknowledgements

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

Это исследование было поддержано Исследовательским советом Университета Миссури (Проект CB000519) и Национальным научным фондом США (IIA-1430428 to DMC). Нга Т. Нгуен была поддержана Программой обучения Вьетнамского образовательного фонда (программа обмена посетителями No G-3-10180). Мы также благодарим Роджера Мейссена (Roger Meissen) (Центр наук о жизни Бонда) за его помощь и опыт во время сессий видеозаписи и редактирования.

Materials

List of materials used in this article
Name	Company	Catalog Number	Comments
Для стерилизации семян
Bleach	The Clorox Company	NA	Обычный отбеливатель www.cloroxprofessional.com
Соляная кислота	Fisher	Scientific A144-500
Корпус эксикатора	Nalgene	D2797 SIGMA	Продается Sigma-Aldrich
Пластина с эксикатором	Nalgene	5312-0230	Продается компанией Thermo Scientific
На одну четверть MS medium preparation
MES	Acros Organics	172591000	4-морфолинэтансульфоновой кислоте
гидрат Мурашиге и Скуга (MS)	Sigma-Aldrich	M0404-10L
KOH	Fisher Scientific	P250-500
Phytoagar	Duchefa Biochemie	P1003.1000
Квадратная тарелка	Fisher Scientific	0875711A	Одноразовая чашка Петри с сеткой
Для посева семян
фильтровальная бумага	Ватман	1004090
Зубочистка	Jarden Home Brands	NA
Алюминиевая фольга	Reynolds Wrap	NA	Стандартная алюминиевая фольга
Микропоровая лента	3M Health Care	19-898-074	Хирургическая лента; Продается Fisher Scientific
Для приготовления гидропонного раствора
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 & Стеритоп» Бутылка	Milipore Corporation	SCGVU02RE	Контейнер для микроэлементов www.milipore.com
Для подготовки буфера для промывки корней
EDTA	Acros Organics	A0305456
Tris	Fisher Scientific	BP154-1
Для гидропонной установки
автоклавируемая пенопластовая трубка	Джейс Индастриз Инк.	L800-A	Иденти-заглушки подходят к отверстиям с 2R = 6-13 мм
Пенопластовая плита	марки Dow	ESR-2142	Толщина составляет 1/2 дюйма
Пробковый сверло	Humboldt	H-9662	Пробковое сверло Наборы с ручками, , Покрытая латунь Набор 6, от 3/16" до 1/2" Размер
Воздушный насос	Aqua Culture	MK-1504
насос	продается Wal-mart Stores, Inc.
Трубки для авиалиний и пузырьковые камни для аквариума	Трубки для аквакультуры	: 928/25-S
Трубки для авиалиний и пузырьковые камни для аквариума	Продается Wal-mart Stores, Inc.	Камень: ASC-1
Other
Ethanol	Fisher Scientific	A995-4	Реагент спирт
хлорид кадмия (CdCl₂)	Sigma-Aldrich	10108-64-2

Воздушный

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

In This Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgements

Materials

References

Reprints and Permissions

Tags

Related Articles