Abstract
מערכות הידרופוני כבר נוצלו כאחת השיטות הסטנדרטיות למחקר ביולוגיה הצמח משמשים גם בייצור מסחרי במשך כמה יבולים, כולל חסה ועגבנייה. בתוך קהילת מחקר הצמח, מערכות הידרופוני רבות עוצבו כדי ללמוד תגובות צמח לעקות ביוטיים אביוטי. כאן אנו מציגים פרוטוקול הידרופוני שניתן ליישם בקלות במעבדות מעוניינות לצאת ללימודים על תזונת מינרלי צמח.
פרוטוקול זה מתאר את מערכת הידרופוני להגדיר בפירוט והכנת חומר צמחי עבור ניסויים מוצלחים. רוב החומרים המתוארים בפרוטוקול זה ניתן למצוא מחוץ חברות אספקת ציוד מדעיות, מה שהופך את להגדיר לניסויים הידרופוני פחות יקר ונוח.
השימוש במערכת צמיחה הידרופוני הוא כדאי ביותר במצבים שבם התקשורת המזינה צריכה להיות מבוקרת היטב וכאשר ro ללא פגעOTS צריך להיות שנקטפו עבור יישומים במורד הזרם. אנחנו גם מדגימים כיצד ריכוזי מזין יכול להיות שונים כדי לגרום לתגובות צמח הוא חומרים מזינים חיוניים ואלמנטים שאינם חיוניים רעילים.
Introduction
הצמחים הם בין הבודדים אורגניזמים שיכולים לסנתז כל מטבוליטים הנדרש יונים אנאורגניים, מים ו- CO 2 באמצעות אנרגיה שנתפסו מהשמש 1. הידרופוניקה היא שיטת גידול צמחים שמנצלת עובדה זו על ידי מתן כל החומרים מזינים, בצורתם האורגנית, בתמיסה נוזלית עם או בלי תקשורת מוצקה. מערכות הידרופוני נעשה שימוש נרחב על ידי מדענים לחקור דרישות ההזנה וגם את הרעילות של כמה אלמנטים ארבידופסיס ובמיני צמחים אחרים 2-5. למשל, ברזין ואח '. 3, קונטיקט et al. 4, ו Alatorre-קובוס et al. 2 השתמשו במערכות הידרופוני וכמה מיני צמחים כולל עגבניות וטבק, לייצר ביומסה במפעל מספיק לניתוח מינרלים 2-4. יישומים תעשייתיים של הידרופוניקה גם פותחו עבור גידולים כמו עגבניות וחסה 6. כאן, אנו outline השימוש הידרופוניקה בהקשר של מחקר, שינויים אפשריים משיטות, ולבסוף להציג מערכה שיכולה להיות להרחבה בקלות ושימושית עבור מעבדות מחקר מעוניינות ללמוד תזונת מינרלי צמח.
מערכות הידרופוני לאפשר הפרדה קלה של רקמת שורש שליטה מדויקת של זמינות מזינה
הידרופוניקה מציעה מספר יתרונות על פני מערכות מבוססות קרקע. כאשר יסירו מאדמה, רקמות השורש לעתים קרובות הוא טעון מכנית גורמת לאובדן של רקמות או נזק. זה נכון במיוחד עבור מבני שורש קנס כגון שורשים לרוחב ושערות שורש. מערכות הידרופוני שאינם לנצל מדיה חלקיקי אינרטי לאפשר הפרדה פחות פולשנית של שורש ולירות רקמות.
במערכות אדמה, שינויים הזמינות הביולוגית מזין ברחבי מטריקס אדמה כיסודות הזנה להיקשר חלקיקי אדמה יצירת מיקרו-סביבות בתוך האדמה. ח זהeterogeneity יכול להוסיף רמה נוספת של מורכבות בניסויים זקוקים שליטה מדויקת על הריכוז החיצוני של חומרים מזינים או מולקולות אחרות. לעומת זאת, הפתרון הידרופוני הוא הומוגני ניתן להחליף בקלות לאורך כל מהלך הניסוי.
נוסחים שונים של מערכות הידרופוני
כל התרבויות הידרופוני להסתמך על פתרון מזין לספק מרכיבים חיוניים לצמח. בנוסף חומרים מזינים, השורשים גם צריך אספקה קבועה של חמצן. כאשר השורשים להיות anoxic הם אינם יכולים לקחת מעלה מטבוליטים תחבורה לשאר הגוף צמח 7. מערכות הידרופוני ניתן לסווג המבוסס על איך הם מספקים חמצן וחומרים מזינים אחרים אל השורשים: אספקת החמצן על ידי להרוות הפתרון עם אוויר (הידרופוניקה קלאסית), בכך שלא השריית שורשים בכל עת, או בכך שהוא מאפשר את השורשים להיחשף לגמרי באוויר (aeroponics) 8. הידרופוניקה,פתרון תזונתי אפשר להרוות אוויר לפני השימוש בו שונה לעתים קרובות, או אוויר יכול להיות מסופק באופן רציף הפתרון על פני מחזור החיים של הצמח 9. לחלופין, צמחים יכולים גם להיות מבוגר על התקשורת אינרטי (למשל, rockwool, ורמיקוליט, או כדורי חימר) נתון רטוב-יבש מחזורים ידי נוטף פתרון באמצעות התקשורת או תקופתי השריית המצע בתמיסת המזון 10. בשנת aeroponics, שורשים מרוססים עם הפתרון המזין כדי למנוע התייבשות.
חסרונות של מערכות הידרופוני
למרות תרבויות הידרופוני מציעות יתרונות ברורים על פני מערכות מבוססות בקרקע, ישנם כמה שיקולים כי יש להכיר כאשר מפרשים את הנתונים. לדוגמא, מערכות הידרופוני לחשוף צמחי מצבים שעשויים להיראות כמו-פיסיולוגיים שאינו. לכן, פנוטיפים או תגובות צמח זוהו באמצעות מערכות הידרופוני עשויים להשתנות בהיקפו when צמחים גדלים במערכות חלופיות (למשל, קרקע או תקשורת מבוססת אגרה). שיקולים אלה אינם ייחודיים למערכות הידרופוני; תגובות הפרש ניתן לצפות גם אם צמחים גדלים בסוגים שונים של אדמת 11,12.
הפרוטוקול הבא מספק צעד אחר צעד הוראות כיצד להקים מערכת הידרופוני במעבדה. פרוטוקול זה ממוטב עבור thaliana ארבידופסיס (ארבידופסיס); עם זאת, דומה או במקרים מסוימים צעדים זהים ניתן להשתמש כדי לגדול מינים אחרים.
Protocol
1. שתיל משתלה
- עיקור החמקן פאזיים של זרעי ארבידופסיס
- יוצקים זרעים (40-50 מ"ג) לתוך צינורות 1.5 מ"ל צנטריפוגות. (ראה איור 1 עבור נפח הזרע המתאים, ~ 50 μl). לייבל כל צינור עם עיפרון (דיו עלול להתפוגג במהלך עיקור). מניחים כל צינור שכותרתו, כובע פתוח, לתוך תא ייבוש 13.
- מניח את הייבוש בתוך במנדף פעיל ולסגור את השסתום של הייבוש.
- Aliquot 100 מ"ל של אקונומיקה (NaClO 6.15%) לתוך מבחנה 250 מ"ל ולאחר מכן למקם אותו ייבוש.
- להוסיף במהירות 3 מ"ל של 12 חומצה הידרוכלורית M אל אקונומיקה בעזרת פיפטה ההעברה. במהירות לסגור את המכסה של הייבוש כמו התגובה ממשיכה במהירות. אפשר העיקור להמשיך במשך 4 שעות (סימון צינור בדיו וראיית הדיו להתפוגג עוזר לדמיין כי כמות מספקת של גז כלור נוצרה).
זהירות: גז כלור רעיל; ידיתהשאריות שלה עם אמצעי בטיחות נוסף במנדף פונקציונלי. קשר עם הרשויות המקומיות או לבקר בדף האינטרנט של בריאות הסביבה ובטיחות מחלקת - אוניברסיטת מיזורי (ESH-MU) 14 עבור הבטיחות הכימית והנחיות לשימוש במנדף: https://ehs.missouri.edu/chem/. - רבע שעה לפני העיקור יושלם (3.75 שעות), להפעיל ברדס זרימה למינרית לנקות את השטח באמצעות 70% אתנול.
- לאחר 4 שעות של עיקור לפתוח את השסתום, בקצרה להסיר את המכסה של הייבוש פנימי של מכסה מנוע הקטר, להסיר את האקונומיקה, ועושה את זה על פי נהלים מוסדיים. צעד זה ישחרר חלק גדול של אדי כלור. חותם את תא עיקור ולהביא אותו אל מכסה המנוע זרימה למינרית. פתח את המכסה נרחבת לאוורר את הזרעים המעוקרים עבור כ 40 דקות. לאחר פרק זמן זה, השתמש הזרעים מייד או לאחסן במקום יבש.
הערה: החמקן פאזיים עיקור של זרעי מומלץ אבל שיטות אחרות such כמו שטיפות חלופיות עם אתנול, אקונומיקה ומים כמתוארות Alatorre-קובוס et al. 2 הם יעילות באותה מידה.
- תקשורת ותרבות עבור נביטת זרעים
הערה: התקשורת והתרבות מוכן בשלב זה ¼ Murashige ו Skoog (MS) עם ויטמינים 15.- להוסיף 450 מ"ל מים deionized (מים DI), 0.55 גרם MS מדיה פלוס ויטמינים, 0.3 MES g (מימה חומצה 4-morpholineethanesulfonic), ובר ומערבבים מגנטי לתוך כוס זכוכית 1 ליטר.
- ממיסים ולהתאים pH 5.7 באמצעות NaOH ולאחר מכן להוסיף 3.5 גרם phytoagar. לשמור על ערבוב הפתרון במשך 5 דקות יותר.
- יוצק את הפתרון השלם לתוך גליל סיים ולהוסיף מי DI 500 מיליליטר. החיטוי 500 מ"ל פתרון זה, עם בר ומערבבים מגנטי בפנים, באמצעות בקבוק 1 ליטר autoclavable.
- לאחר הפתרון כבר autoclaved, מערבבי הפתרון עבור 7-10 דקות באמצעות הבוחש המגנטי בבקבוק.
- אחרי התקשורת התקררהל- C ° 50-60, לשפוך את התקשורת לתוך צלחות בתנאים סטריליים ולתת לו לחזק. צלחות ניתן לאחסן לשימוש מאוחר יותר בחדר הקר.
- ציפוי זרע
- הפעל את 15 דקות במנדף זרימה למינרית לפני השימוש לנקות את השטח עם אתנול 70%. הפריטים הבאים נדרשים: זרעים סטריליים, מסנן נייר, קיסמים, קלטת micropore וצלחות ¼ MS.
- מניחים את הזרעים סטרילית על נייר סינון סטרילי. סוף רטוב מעט אחד קיסם סטרילי (עם מים סטריליים או באמצעות לחיצה על התקשורת ¼ MS). השתמש סוף הלחות הזה להביא את הזרעים מהעיתון המסנן ולאחר מכן להניח אותם על משטח התקשורת.
- מורח את הזרעים על פני הצלחת בצפיפות של כ 1 זרעים לסנטימטר 2 (איור 2). ואז להשתמש בקלטת micropore כדי לשמור על מכסת צלחת מחוברת לגוף צלחת. סוג זה של קלטת מסייעת במניעת זיהום תוך מתן חילוף הגזים בין האוויר לבין מיקרו insidדואר הצלחת.
- לפני הנביטה, זרעים לרבד על ידי שמירה על הצלחות יומיות בחדר הקר מכוסים מן האור.
- לאחר ריבוד, למקם את הזרעים בתא צמיחה או במקום עם תנאי גידול אופטימליים (23 ° C, 16 אור hr / 8 כהה שעה ו 60% לחות יחסית עבור ארבידופסיס). שתילים יהיו מוכנים הידרופוניקה 10-12 ימים לאחר הנביטה.
הערה: במהלך הנביטה ייתכנו עיבוי משמעותי מתחת למכסה של הצלחת, כדי למנוע טביעה, המים העודפים אמור להיות מושלך בתנאים סטריליים במנדף זרימה למינרית.
2. תהליך ההתקנה והשתלות הידרופוני
- פתרון הידרופוני
הערה: כפי שצוין במבוא, יכול להיות צמחים דרישות תזונתיות ספציפיות ארבידופסיס כבר גדל בהצלחה עם פתרון מזין שניתן לראות בטבלה 1 16 בהתאם הספקים,..מלחים המפורטים כאן עשויים להיות תוכן מים שונה (התייבשות) ושימוש חלופות כאלה אינו משפיע על המאפיינים של הפתרון התזונתי עוד molarity מוחזק קבוע.- הכן את הפתרונות המניות של כל חומר מזין בבקבוקים שונים (טבלה 1) וכל micronutrients למעט Fe-EDTA בבקבוק סטרילי (לעקר על ידי סינון באמצעות 0.22 מיקרומטר ממברנות). תמיד להוסיף Fe-EDTA לבסוף כאשר ערבוב הפתרון. כן פתרון המזין 10x מראש של הניסוי אך החיטוי ולאחסן ב 4 מעלות צלזיוס. השתמש או לשנות את החומרים המזינים רק כאשר הפתרון התזונתי הגיע בטמפרטורת החדר.
- השתלה
- כן מחזיק עציצים ומכולות הידרופוני
- עושים חתך את הקצף, פועל לאורכו באמצעות סכין גילוח (ראה איור 3). כן תקע אחד לכל צמח.
- נוזלים-חיטוי אטמי צינור קצף ספוגה במי DI. </ Li>
- חותכים את הפאנל קצף לתוך לוחות קטנים יותר, ולוודא כי הרוחב והאורך של לוחות קצף הם 0.5-1.0 ס"מ פחות גודל המיכל (ראו איור 4).
- השתמש דקור פקק ליצור חורים על קאפה. הצפיפות של הצמחים צריכה להיות מופצת באופן שווה, באופן אידיאלי 1 צמח ל -10 סנטימטרים 2. צפיפות זה תשמור צמחים מופרדים חד ביניהם; צפיפויות גבוהות אולם אפשריים לא ימנע את הצלחת הניסויים. ודא את גודל החורים מתאים לגודל של המצתים (ראה איור 4).
- מלא את המכולות עם הפתרון התזונתי. ודא כי עומק הפתרון הוא מספיק לפיתוח שורש (לפחות סנטימטר 5). אז בזהירות למקם את לוחות קצף על פני השטח של הפתרון.
- הגדר את מערכת משאבת אוויר כדי לספק חמצן לתוך התמיסה (ראה איור 5).
הערה: מילוי המיכל הידרופוני עם פתרון מזין סםשתילי דואר היום נמצאים כעת מושתלים. כיסוי צדי המכולה מן האור יעזור למנוע צמיחה של אצות.
- העברת שתיל מצלחות למערכת הידרופוני
- להשתמש בפינצטה קטן למשוך כל שתיל בעדינות מתוך הצלחת הבינונית ולהניח את השורש לאורך החתך של תקע צינור קצף. בזהירות לחבר את צינור קצף מחזיק שתיל לתוך קאפה מכן למקם את הלוח בחזרה אל המיכל הידרופוני. ראה איור 6 מניפולציה מתאימה.
- כן מחזיק עציצים ומכולות הידרופוני
3. ניסויים הידרופוני
- החלפה ומניפולצית פתרון תזונתית
- החלפת פתרון תזונתית
- כדי להחליף את הפתרון התזונתי, להכין פתרון הידרופוני טרי כמתואר בשלב 2.1. הסר את לוח קצף המכיל צמחים ממיכל הידרופוני ולמקם אותו במיכל זמני מלאמים או פתרון הידרופוני.
- מחק את הפתרון הישן, יש לשטוף את מיכל בקצרה שלוש פעמים עם מים די. מוסיף את פתרון הידרופוני המוכן הטרי לתוך מיכל זה ומניח בעדינות את לוח הקצף עם צמחים חזרה לתוך המכל הידרופוני. החלף את הפתרון הידרופוני פעמיים בשבוע.
- שינוי בהרכב התזונתי של הפתרון הידרופוני
- התאם את הרכב הפתרון הידרופוני שניתן לראות בטבלה 1 לשנות את הריכוז הסופי של אלמנט של עניין. לדוגמה, כדי לגרום ברזל (Fe) חסר, לשנות את הפתרון הידרופוני כדי להקטין את ריכוז של Fe-EDTA. כלול סט של צמחים מלאים גדלו על מלא (או גדוש) פתרון הידרופוני, ללא כל שינוי, לשם השוואה.
- כדי לתפעל את הפתרון התזונתי עם אלמנט רעיל, תחילה להכין פתרון המניה עצמאית של אלמנט רעיל הרצוי, רצוי מרוכז 1,000x. תשתמש בפיפטה לספייק הפתרון הידרופוני עם אלמנט רעיל בריכוז הסופי הרצוי באמצעות המניות 1,000x מרוכז.
- לדוגמה, כדי לעשות 3 ליטר של פתרון הידרופוני המכיל 20 מיקרומטר של קדמיום, להכין 0.5 M CdCl 2 המניות, ולהוסיף 120 μl של 0.5 M CdCl 2 המניות לתוך התמיסה הידרופוני 3 L. כלולה ערכת בקרה של צמחים הגדלים על הידרופוניקה ללא CdCl 2 להשוואה.
זהירות: רעיל אלמנטים כגון קדמיום, ארסן ועופרת מסוכנים מאוד לבריאות האדם והסביבה. אנא פנה לרשויות המקומיות או לבקר באתר של EHS-MU (https://ehs.missouri.edu/train/chemical.html) 14 עבור הנחיות בטיחות סביבתיות ובריאותיות לפני ביצוע ניסויים.
- החלפת פתרון תזונתית
- עיקור כלי לניסויים הבאים
- כמו כמעט כל חומר המשמש להכנת הידרופוני להגדיר יכול להיותשימוש חוזר, לנקות את החלקים השונים עם מלבין מדולל (NaClO 0.6%).
- לאחר שטיפה עם אקונומיקה, לשטוף את כל החומרים היטב במים DI. שמור מכולות, לוחות קצף, ואבני בועה האקווריום במקום יבש לשימוש עתידי. אטמי קצף מוכנים לשימוש חוזר לאחר הסרת השורשים להיות autoclaved.
Representative Results
בסעיף זה, התוצאות של שני סוגים של ניסויים, באמצעות מערכת הידרופוני המתוארת כאן, מוצג. בניסוי הראשון, הפתרון התזונתי שונה כדי להשיג ריכוזים שונים של אבץ. אנחנו גם שינינו את הפתרון התזונתי על ידי הוספת ריכוזים לא קטלניים של קדמיום האלמנט הרעיל (איור 7). בניסוי השני, השתמשנו מצמידים אינדוקטיבי ספקטרומטריית פליטה אופטית פלזמה (ICP-OES) 1 למדוד את הרכב היסודות של שורשים ועלים של צמחים הגדלים קדמיום המכיל פתרון הידרופוני (איור 8). ניסוי זה ממחיש את היתרונות של קבלת שורשים ועלים בנפרד.
ניסוי 1
שתילי ארבידופסיס (Col-0) גדלו במערכת הידרופוני המתוארת protocol שלבים 1 ו -2 צמחים הורשו לגדל עבור סכום כולל של 3 שבועות לפני מטופלת עם ריכוזי אבץ שונים (איור 7 א-B) או בריכוז שאינו קטלני של קדמיום (איור 7C). שישה ימים לאחר טיפול, צמחים הגדלים בריכוזי אבץ גבוהים (> 42 מיקרומטר) הראה עיכוב צמיחה בשל Zn רעילה, בעוד צמחים ללא תוספת אבץ הוסיפו גם להראות עיכוב צמיחה לעומת הצמחים גדלים עם 7 מיקרומטר Zn 2+. איור 7 מראה גם את הפחתה בצמיחת לירות, צמיחת שורש, עלים לצהובים תסמינים טיפוסיים של צמחים חשופים קדמיום (7C איור).
ניסוי 2
Col-0 צמחים גדלו כמתואר בשלבים 1 ו -2 לאחר כשבועיים-modified הלא (גדושה) פתרון הוחלף 80 מ"ל של תמיסת הידרופוני המכיל 20 מיקרומטר Cd. לאחר 72 שעותים, רקמות השורש נשטפו על ידי העברת קאפה שלם עם צמחים לכלי חדש המכיל 80 מ"ל של טריס 20 מ"מ (pH 8.0) ו -5 מ"מ EDTA. פתרון זה יהיה להסיר את המתכות הכבדות כבול אל פני השטח של השורש. צמחים הודגרו בתמיסה המכילה-EDTA על שייקר רוטרי במשך 5 דקות. פתרון EDTA הוחלף לאחר מכן על ידי 80 מיליליטר מי DI וצמחים הודגרו על שייקר רוטרי 5 דקות נוספות. צעד שטיפה זה עם מים די חזר על עצמו פעמים. לאחר השטיפה הצמחים במים DI, רקמות עלה ושורש נבצרו באופן עצמאי ומעובד ICP-OES 1. איור 8 מראה כי את הרכב היסודות של עלים שונה שורשים, שבו macronutrients (Ca, K, ו Mg) בתוך רקמת העלה הם מצויים בריכוז גבוה לעומת שורשים. מצד השני, יסודות קורט כגון Zn ו Fe נצברים מועדף בשורשים. הריכוז של קדמיום האלמנט שאינו החיוני נמצא היי gher בשורשים לעומת יורה.
איור 1. עיקור החמקן פאזיים של זרעי ארבידופסיס. (א) סכום של זרעי ארבידופסיס לכל צינורות 1.5 מ"ל צנטריפוגות. (ב) צינורות המכילים זרעים עם כמוסות פתוחות בעל מתלת הצינור מוכנה עיקור, צינור אחד עם דיו-מסומן על הכובע כלול. (C) העיקור להקים בתוך תא ייבוש, מכסה שסתום סגור. (ד) דיו חותם על המכסה של צינור הכלול בתהליך עיקור הזרע עם צבע חזק של סימן דיו לפני ואחרי העיקור. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
קבצים / ftp_upload / 54,317 / 54317fig2.jpg "/>
זרעי איור 2. זרע ציפוי צעד. (א) מונחים על נייר מעוקר לפני הציפוי. קיסם מעוקר נדרש גם עבור שלב זה. (ב) מעט להרטיב את סוף הקיסם עם התקשורת או מים בצד של הצלחת הבינונית. זרעים (C) מועברים ¼ צלחות MS. (ד) צפיפות אידיאלית של זרעים היא ≈1 זרע / 2 סנטימטר. נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3. תקע קצף נהג לקיים שתילי הפתרון התזונתי. חתך על מחצית התוספת צינור קצף עוזר מחזיק שתיל במהלך השתלה מן הצלחות הידרופוניקה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 4. הכנת לוח קצף. (א) בדוק את גודל קאפה התבנית עם גודל המכל לפני הכנת לוחות קצף בכמויות גדולות. שני נקבים קטנים שנעשו במרכז לוח הקצף לעשות את זה קל יותר להחזיק ולטפל הקצף באמצעות פינצטה. (B- ג) דקור הפקק משמש ליצירת חורים על קאפה. (ד) בדוק את ההתאמה הנכונה בין תקע צינור הקצף והחורים נוצר על קאפה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
יפ-together.within-page = "1"> 
. איור 5. הגדרת אוויר משאבה עבור ניסוי הידרופוני מ-מבט מלמעלה (א) ו צד להציג (ב) המספרים מצביעים: 1 - משאבת אספקת אוויר; 2 - צינורות פלסטיק חיבור משאבת אוויר עם מערכת שסתום לשלוט זרימת אוויר; 3 - מערכת שסתום; 4 ו -5 - צינורות פלסטיק חיבור מערכת השסתום באבני בועה לאוורור; 6 ו -7 -. אבני בועה (נמכרות עבור באקווריומים) אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 6. העברת שתילים למערכת הידרופוני. (א) להשתמש בפינצטה כדי לקחת שתיל מתוך הצלחת הבינונית. (ב) מניח את השתיל רוt לאורך החתך על תקע צינור קצף. (ג) הכניסו את תקע צינור קצף לתוך קאפה. (ד) הגדרת לוח השלים קצף A עם שתילים מוכנים להציב על הפתרון התזונתי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 7. פתרונות תזונתיים יכולים להיות שונים כדי לבדוק מחסור או השפעות רעילות של אלמנטים 4 שבועות בן hydroponically גדל ארבידופסיס 6 ימים לאחר טיפול:. (AB) צמחים גדלים עם 0, 7, 14, 21, 28, 35, 42, ו 50 מיקרומטר של Zn. צמחים הגדלים בריכוזים גבוהים Zn (> 42 מיקרומטר) צג מתעכב צמיחה (רעיל) ואילו צמחים ללא Zn הוסיפו גם להראות עיכוב צמיחה (מחסור תזונתי) לעומת צמחים גדלו עם 7 מיקרומטר Zn 2+. צמחים (C) גדלו בהעדר (משמאל) או הנוכחות של 20 מיקרומטר Cd בפתרון המזין (תמונה צולמה לאחר 6 ימים של חשיפת Cd). קדמיום חשיפה גורמת ירקון ומפחית צמיחה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
רכב איור 8. יסודות של שורשי יורה מצמחי גדלי hydroponically. שוטס מכיל macronutrients יותר (Ca, K, Mg) בהשוואה לשורשים בעוד micronutrients החיוני אבץ וברזל הם מרוכזים יותר בשורשים. באופן דומה קדמיום האלמנט שאינו חיוני נצבר מועדף בשורשים. ברי שגיאה מייצגים את רווחי סמך 95% (n = 14, יורה n = 9, שורשים)."Target =" _upload / 54,317 / 54317fig8large.jpg _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
| סוג של מזין | מלח / מגיב | ריכוז בתמיסה הידרופוני | יחידה | ||||
| חומר מזין | kno 3 | 1.250 | מ"מ | ||||
| חומר מזין | KH 2 PO 4 | 0.625 | מ"מ | ||||
| חומר מזין | MgSO 4 | 0.500 | מ"מ | ||||
| חומר מזין | Ca (NO 3) 2 | 0.500 | מ"מ | ||||
| micronutrient | H 3 BO 3 | 17.500 | מיקרומטר | ||||
| micronutrient | MnCl 2 | 5.500 | מיקרומטר | micronutrient | ZnSO 4 | 0.500 | מיקרומטר |
| micronutrient | Na 2 Moo 4 | 0.062 | מיקרומטר | ||||
| micronutrient | NaCl 2 | 2.500 | מיקרומטר | ||||
| micronutrient | CoCl 2 | 0.004 | מיקרומטר | ||||
| micronutrient | FeEDTA | 12.500 | מיקרומטר |
ריכוז אפקטיבי טבלה 1. חומרים מזינים הפתרון הידרופוני.
Discussion
בריאותו של שתילים משמשים הידרופוניקה היא אחד הגורמים העיקריים התורמים להצלחה של ניסוי הידרופוני. עיקור של מכשירים, זרעים, תקשורת והתרבות גם לשחק תפקיד חשוב בהפחתת הסיכון של זיהום ולספק התחלה טובה עבור הצמחים לפני שהם מושתלים לתוך מערכת הידרופוני. סביבת עבודה עם מתקנים כגון מכסה מנוע חיטוי, קטר, בחדר קר (4 ° C), ומרחב צמיחה עם בתנאים מבוקרים (עוצמת אור וטמפרטורה) היא הכרחית עבור ניסוי טוב להגדיר.
הרעננות של הפתרון התזונתי גם קובע את בריאות הצמח בתורו קובע את ההצלחה של ניסוי הידרופוני. מאז המים מתאדים מהר תחת תאורה ישירה, ריכוז מלחים ישתנה עקב הפחתה של נפח פתרון כולל; ולכן עדיף לשנות הפתרון הידרופוני לפחות פעמיים בשבוע. עם זאת, אם מיכלים גדולים, עמוקיםמצויד במערכת משאבת אוויר משמש זה לא ייתכן שיהיה צורך להחליף את הפתרון התזונתי לניסויים כי הם קצרים משך. יש לשים לב כי במקרה של ארבידופסיס השתמשנו כלי מגנט (77 מ"מ רוחב x 77 מ"מ אורך x 97 מ"מ גובה) אך מכלים אחרים, גדולים יותר יכולים לשמש גם כדי להתאים צמחים גדולים.
עבור החוקרים מעוניינים חומרי הזנה לצמח, ניסויים הידרופוני לספק הגדרה ייחודית לבחון פנוטיפים צמח ותגובות לזמינות מזין שונים 17. על ידי מניפולציה של הריכוזים של האלמנטים של עניין, חוקרים יכולים להגדיר ניסויים שונים כדי לבחון את ההשפעה של שובע, חסר, או בריכוזים רעילים של חומרים מזינים חיוניים ו שאינם חיוניים. בהשוואה למערכת מבוססת הקרקע, מערכת הידרופוני מספקת מזין בינוני הומוגנית יותר לצמחים עם פחות סיכון של מחלות שמקורן בקרקע. בנוסף, הוא שורש ולירות רקמות ניתן לקצור להפריד בקלותעבור ניתוחים נוספים על רקמות צמח מבוקשות.
במקטע הנציג, הצגנו שתי דוגמאות בן מערכת הידרופוני פשוט שמשה מחקרים מפורטים יותר על תזונה מן הצומח. בדוגמא הראשונה, על ידי גידול צמחים על מפל ריכוזים אבץ, הצלחנו להדגים את רמת השליטה יכולה להיות מושגת על הרכב תזונתי באמצעות מערכת הידרופוני זה. צמחים גדלים עם 7 מיקרומטר Zn גדלו הרבה יותר נמרץ לעומת הצמחים גדלים 50 מיקרומטר Zn, בעוד צמחים גדלים ללא תוספת Zn שנוסף היה ננסיים לעומת הצמחים גדלים עם 7 מיקרומטר Zn. זה היה בין השאר בשל משך הזמן הצמחים הורשו לגדל תחת תנאים מספיקים; הסרה קודמת של Zn מהתקשורת עשויה לגרום לתסמיני אבץ-חסרים חזקים. החלתי אותו העיקרון, הצלחנו לגרום לרעילויות באמצעות המתכת שאינה חיונית, קדמיום, אשר ידוע לפגוע גידול צמחים.
במקרה השנילמשל, את הרכב היסודות של שורשי Col-0 ויורה שטופלו 20 מיקרומטר Cd במשך 72 שעות נקבע על ידי ICP-OES. מצאנו הבדלים כל המתכות זוהו בין שורשי יורה. אלמנטי מאקרו נמצאו ריכוזים גבוהים יותר היורה ביחס לשורשים, תוך נמצאו ברזל ואבץ שופעים יותר בשורשים. קדמיום התנהל בדפוס דומה ברזל ואבץ, להיות מרוכז יותר בשורשים לעומת יורה. נתונים אלה מחזקים את הרעיון כי עלים ושורשים לספק מידע שונה על מצב ionome של הצמח ולכן הוא הרקמות צריכות להיות מנותחות בנפרד כדי להבין תזונת רכב מינרלים ברמת הצמח כולו. מלבד ICP-OES מספר שיטות ספקטרוסקופיות כגון ספקטרוסקופיה אטומית הקליטה (AAS) או מצמידים אינדוקטיבי פלזמה ספקטרומטריית מסה (ICP-MS) יכול לשמש גם כדי למדוד את הרכב היסודות (ionome) של הצמח רקמות 18-20.
בעוד hydroponiניסוי ג, הסימפטומים פנוטיפים של צמחים להגיב לתנאים מזינים שונים מייצגים את ההתחלה של מה יכול להתארך ליותר פירט ניתוחים כגון ביטוי גנים (transcriptomics) ושפע חלבון (חקר חלבונים). טכניקות -omic אלו הן מפתחים לשלב חילוף חומרים בצמח על ידי בהתחשב בתהליכים באופן רקמות ספציפיות.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 www.milipore.com |
| For root wash buffer preparation | |||
| EDTA | Acros Organics | A0305456 | |
| Tris | Fisher Scientific | BP154-1 | |
| For hydroponic setup | |||
| Autoclavable foam tube plug | Jaece Industries Inc. | L800-A | Identi-Plugs fit to holes with 2R = 6-13 mm |
| 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 | |
| Air pump | Marketed by Wal-mart Stores, Inc. | ||
| Airline tubing and aquarium bubble stones | Aqua Culture | Tubing: 928/25-S | |
| Airline tubing and aquarium bubble stones | 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 | |
References
- 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).
