Here, we present an easy-to-follow protocol to establish a successful hydroponic system for plant nutrition studies. This protocol has been extensively tested in Arabidopsis and can easily be adapted to other plant species to study specific nutritional requirements or the effect of non-essential elements on plant growth and development.
Hydroponischen Systeme wurden als eine der Standardmethoden für Pflanzenbiologie Forschung genutzt und werden auch in der kommerziellen Produktion für mehrere Kulturen, darunter Salat und Tomaten verwendet. Innerhalb der Pflanzenforschungsgemeinschaft wurden zahlreiche hydroponischen Systeme wurden entwickelt, um Pflanzen Reaktionen auf biotischen und abiotischen Stress zu studieren. Hier präsentieren wir eine hydroponischen Protokoll, das leicht in Laboratorien interessiert in Fortsetzung der Studien über Pflanzenmineral Ernährung umgesetzt werden können.
Dieses Protokoll beschreibt die hydroponischen System im Detail und die Herstellung von Pflanzenmaterial für erfolgreiche Experimente eingerichtet. Die meisten Materialien in diesem Protokoll beschrieben ist, kann außerhalb der wissenschaftlichen Versorgungsunternehmen zu finden, die Einrichtung für hydroponischen Experimente weniger teuer und bequem.
Die Verwendung eines hydroponischen Wachstumssystem ist besonders vorteilhaft in Situationen, wo die Nährmedien gut kontrolliert werden müssen, und wenn intakte roOTS müssen für Downstream-Anwendungen geerntet werden. Wir zeigen auch, wie Nährstoffkonzentrationen modifiziert werden, um Pflanzen Antworten auf beide essentielle Nährstoffe und toxische, nicht wesentliche Elemente induzieren.
Pflanzen zählen zu den wenigen Organismen , die alle erforderlichen Metaboliten aus anorganischen Ionen synthetisieren kann, Wasser und CO 2 , um die Energie von der Sonne 1 eingefangen werden. Hydroponik ist ein Verfahren zum Züchten von Pflanzen, die die Vorteile dieser Tatsache nimmt durch alle Nährstoffe, in ihre anorganischen Form, in einer flüssigen Lösung mit oder ohne festen Medien. Hydroponischen Systeme wurden von Wissenschaftlern für die Erkundung Nährstoffbedarf und auch die Toxizität von einigen Elementen in Arabidopsis und anderen Pflanzenarten 2-5 ausgiebig genutzt. Zum Beispiel Berezin et al. 3, Conn et al. 4 und Alatorre-Cobos et al. 2 verwendet hydroponischen Systeme und verschiedene Pflanzenarten , darunter Tomaten und Tabak, 2-4 ausreichend pflanzliche Biomasse für mineralische Analyse zu erzeugen. Industrielle Anwendungen der Hydroponik wurden auch für Nutzpflanzen wie Tomaten und Salat 6 entwickelt. Hier wir outline die Verwendung von Hydrokultur im Rahmen der Forschung, mögliche Variationen in zur Verfügung stehenden Methoden und schließlich ein System präsentieren, die leicht skalierbar und nützlich für Forschungslabors interessiert sich für das Studium Pflanzenmineral Ernährung sein kann.
Hydroponischen Systeme ermöglichen eine einfache Trennung von Wurzelgewebe und eine präzise Steuerung der Nährstoffverfügbarkeit
Hydroponik bietet mehrere Vorteile gegenüber Boden-basierten Systemen. Wenn aus dem Boden entfernt wird, wird oft Wurzelgewebe mechanisch Gewebeverlust oder Beschädigung geschert verursachen. Dies gilt insbesondere für die Feinwurzelstrukturen wie Seitenwurzeln und Wurzelhaare. Hydroponischen Systeme, die eine weniger invasive Trennung von Wurzel- und Sprossgewebe keine inerte Partikel Medien nutzen können.
In Bodensystemen, die Bioverfügbarkeit von Nährstoffen Veränderungen in der gesamten Bodenmatrix als Nährstoffe binden an Bodenpartikel Mikroumgebungen innerhalb des Bodens zu schaffen. Dieses heterogeneity könnte ein zusätzliches Maß an Komplexität in Experimenten, um eine genaue Kontrolle über die externe Konzentration von Nährstoffen oder anderen Molekülen hinzuzufügen. Im Gegensatz dazu ist die hydroponische Lösung homogen und kann problemlos im gesamten Verlauf des Experiments ersetzt werden.
Varianten von hydroponischen Systemen
Alle hydroponischen Kulturen stützen sich auf eine Nährlösung wesentlichen Elemente der Anlage zu liefern. Zusätzlich zu den Nährstoffen, müssen die Wurzeln auch eine stetige Versorgung von Sauerstoff. Wenn Wurzeln anoxischen geworden sind sie nicht in der Lage und Metaboliten Transport 7 auf den Rest des Pflanzenkörpers aufzunehmen. Hydroponischen Systeme können klassifiziert werden je nachdem, wie sie liefern Sauerstoff und andere Nährstoffe zu den Wurzeln: die Sauerstoffzufuhr durch die Lösung mit Luft (klassische hydroponics) sättigt, durch die Wurzeln nicht zu allen Zeiten eingetaucht, oder indem man die Wurzeln vollständig ausgesetzt werden die Luft (aeroponics) 8. In Hydroponik,Nährlösung kann vor seiner Verwendung und verändert häufig mit Luft gesättigt werden, oder Luft kann kontinuierlich in der Lösung über den Lebenszyklus der Anlage 9 zugeführt werden. Alternativ können Pflanzen auch auf inerten Medien gezüchtet werden (beispielsweise Steinwolle, Vermiculit oder Blähton) und durch Eintropfen Lösung durch das Medium zu benetzen und Trockenzyklen ausgesetzt oder periodisch das Substrat in die Nährlösung eingetaucht 10. In aeroponics werden Wurzeln mit der Nährlösung besprüht Austrocknung zu verhindern.
Nachteile von hydroponischen Systemen
Obwohl hydroponischen Kulturen klare Vorteile gegenüber Boden-basierte Systeme bieten, gibt es einige Überlegungen, die anerkannt werden müssen, wenn die Daten zu interpretieren. Zum Beispiel hydroponischen Systemen belichten Pflanzen Bedingungen, die als nicht-physiologischen gesehen werden kann. Daher erfasst Phänotypen oder Pflanzen Antworten hydroponischen Systemen mit in der Größe variieren kann when Pflanzen werden in alternativen Systemen (beispielsweise Böden oder Agar-basierten Medien) gezüchtet. Diese Überlegungen sind nicht einzigartig für hydroponische Systeme; Differential Antworten können auch beobachtet werden , wenn Pflanzen in verschiedenen Bodenarten 11,12 angebaut werden.
Das folgende Protokoll liefert eine Schritt-für-Schritt-Anweisungen, wie ein hydroponischen System in einem Labor einzurichten. Dieses Protokoll wurde für Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) optimiert; jedoch ähnlich oder in einigen Fällen identische Schritte verwendet werden können, andere Arten wachsen.
Die Gesundheit der Sämlinge für Hydroponik verwendet ist einer der wichtigsten Faktoren für den Erfolg eines hydroponischen Experiments beiträgt. Sterilisation von Instrumenten, Samen und Kulturmedien auch eine wichtige Rolle bei der Verringerung der Gefahr einer Kontamination spielen und einen guten Start für die Pflanzen zur Verfügung stellen, bevor sie in den hydroponischen System transplantiert werden. Eine Arbeitsumgebung mit Einrichtungen wie einem Autoklaven, Dunstabzug, Kühlraum (4 ° C), und Wachstumsraum mit kontrollierten Bedingungen (Lichtintensität und Temperatur) ist notwendig für eine gute Versuchsanordnung.
Die Frische der Nährlösung bestimmt auch die Pflanzengesundheit und wiederum bestimmt den Erfolg eines hydroponischen Experiment. Da Wasser verdunstet unter schneller direkte Beleuchtung, wird die Konzentration von Salzen aufgrund einer Verringerung der Gesamtlösungsvolumen verändern; Daher ist es am besten, die hydroponischen Lösung mindestens zweimal in der Woche zu ändern. Wenn jedoch große, tiefe Behältermit einer Luftpumpe ausgestattet werden verwendet, es nicht kann notwendig sein, die Nährlösung für Experimente zu ersetzen, die von kurzer Dauer sind. Beachten Sie, dass im Fall von Arabidopsis wir Magenta Gefäße verwendet (77 mm Breite x 77 mm Länge x 97 mm Höhe) , aber andere, größere Behälter auch verwendet werden kann , um größere Anlagen aufzunehmen.
Für die Forscher interessiert an Pflanzennährstoffe, bieten hydroponischen Experimente eine einzigartige Kulisse Anlage Phänotypen und Reaktionen auf verschiedene Nährstoffverfügbarkeit 17 zu testen. Durch die Manipulation der Konzentrationen der Elemente von Interesse, können die Forscher verschiedene Experimente zu testen, um die Auswirkungen der Suffizienz, Mangel oder toxische Konzentrationen von essentiellen und nicht-essentiellen Nährstoffen eingerichtet. Gegenüber dem Boden-basierten System stellt die hydroponische System eine homogenere Nährmedium für die Pflanzen mit einem geringeren Risiko von bodenbürtigen Krankheiten. Darüber hinaus können sowohl Wurzel- und Sprossgewebe leicht geerntet und getrennt werdenfür weitere Analysen auf spezifische Pflanzengewebe.
In der repräsentativen Abschnitt stellten wir zwei Beispiele, bei denen ein einfaches hydroponischen System wurde für genauere Untersuchungen über Pflanzenernährung. In dem ersten Beispiel von Pflanzen auf einem Zink Konzentrationsgradienten wächst, konnten wir das Niveau der Steuerung zu veranschaulichen, die auf Nährstoffzusammensetzung unter Verwendung dieses hydroponischen System erreicht werden kann. Pflanzen mit 7 uM Zn gewachsen wuchs viel stärker im Vergleich zu den Pflanzen in 50 & mgr; M Zn gewachsen, während Pflanzen angebaut, ohne zusätzliche Zn auf Pflanzen verglichen wurden verkümmert zugegeben mit 7 uM Zn gewachsen. Dies war aufgrund der Länge der Zeit teilweise die Pflanzen unter ausreichenden Bedingungen wachsen gelassen wurden; früheren Entfernen von Zn aus den Medien ist wahrscheinlich stärker Zink-Mangelerscheinungen zu induzieren. Anwendung des gleichen Prinzips, konnten wir Toxizität zu induzieren, die nicht-essentielle Metall verwendet, Cadmium, von dem bekannt ist das Pflanzenwachstum zu beeinträchtigen.
In dieser Sekundebeispielsweise die Elementzusammensetzung von Col-0 Wurzeln und Sprossen, behandelt mit 20 & mgr; M Cd 72 h wurde durch ICP-OES bestimmt. Wir fanden Unterschiede in allen erfassten Metalle zwischen Wurzeln und Sprossen. Makroelemente wurden in höheren Konzentrationen in den Trieben relativ zu den Wurzeln gefunden, während Eisen und Zink waren reichlicher in Wurzeln gefunden. Cadmium gefolgt ein Muster ähnlich wie Eisen und Zink, konzentrierter in Wurzeln im Vergleich zu Sprosse ist. Diese Daten untermauern die Idee , dass Blätter und Wurzeln bieten verschiedene Informationen über den ionome Zustand der Anlage und müssen daher beide Gewebe separat analysiert werden Mineralstoffernährung und Komposition an der ganzen Pflanze Ebene zu verstehen. Neben ICP-OES verschiedene spektroskopische Methoden wie Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) oder induktiv gekoppelter Plasma – Massenspektrometrie (ICP-MS) können auch die Elementzusammensetzung (ionome) von Pflanzengeweben 18-20 zu messen , verwendet werden.
In einem Hydroponischesc Versuch, die Symptome und Phänotypen von Pflanzen auf unterschiedliche Nährstoffbedingungen reagieren stellen den Anfang dessen, was in mehr ausgeweitet werden könnte erarbeitet Analysen wie Genexpression (Transkriptom) und Proteinmenge (Proteomics). Diese -omic Techniken sind der Schlüssel pflanzlichen Stoffwechsel zu integrieren , indem sie Prozesse in einer gewebespezifischen Weise berücksichtigen.
The authors have nothing to disclose.
This research was supported by the University of Missouri Research Board (Project CB000519) and the US National Science Foundation (IIA-1430428 to DMC). Nga T. Nguyen was supported by the Vietnam Education Foundation Training Program (Exchange visitor program No. G-3-10180). We also thank Roger Meissen (MU Bond Life Sciences Center) for his assistance and expertise during the video recording and editing sessions.
For seed sterilization | |||
Bleach | The Clorox Company | NA | The regular bleach |
www.cloroxprofessional.com | |||
Hydrochloric acid | Fisher Scientific | A144-500 | |
Desiccator body | Nalgene | D2797 SIGMA | Marketed by Sigma-Aldrich |
Desiccator plate | Nalgene | 5312-0230 | Marketed by Thermo Scientific |
For one quarter MS medium preparation | |||
MES | Acros Organics | 172591000 | 4-Morpholineethanesulfonic acid hydrate |
Murashige and Skoog (MS) | Sigma-Aldrich | M0404-10L | |
KOH | Fisher Scientific | P250-500 | |
Phytoagar | Duchefa Biochemie | P1003.1000 | |
Square plate | Fisher Scientific | 0875711A | Disposable Petri Dish With Grid |
For seed plating | |||
Filter paper | Whatman | 1004090 | |
Toothpick | Jarden Home Brands | NA | |
Aluminum foil | Reynolds Wrap | NA | Standard aluminum foil |
Micropore tape | 3M Health Care | 19-898-074 | Surgical tape; Marketed by Fisher Scientific |
For hydroponic solution preparation | |||
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 & Steritop” bottle | Milipore Corporation | SCGVU02RE | Micronutrient container |
For root wash buffer preparation | www.milipore.com | ||
EDTA | Acros Organics | A0305456 | |
Tris | Fisher Scientific | BP154-1 | |
For hydroponic set up | |||
Autoclavable foam tube plug | Jaece Industries Inc. | L800-A | Identi-Plugs fit to holes with 2R=6-13mm |
Foam Board | Styrofoam Brand Dow | ESR-2142 | Thickness is 1/2 inches |
Cork borer | Humboldt | H-9662 | Cork Borer Sets with Handles, , Plated Brass Set of 6, 3/16" to 1/2" OD Size |
Air pump | Aqua Culture | MK-1504 | |
Marketed by Wal-mart Stores, Inc. | |||
Airline tubing and aquarium bubble stones | Aqua Culture | Tubing: 928/25-S | |
Marketed by Wal-mart Stores, Inc. | Stone: ASC-1 | ||
Other | |||
Ethanol | Fisher Scientific | A995-4 | Reagent Alcohol |
Cadmium Chloride (CdCl2) | Sigma-Aldrich | 10108-64-2 |