Abstract
Vannkultur er blitt benyttet som en av de vanlige metoder for plantebiologi forskning og blir også brukt i kommersiell produksjon i flere avlinger, inkludert salat og tomat. Innenfor anlegget forskningsmiljø, har mange hydroponic systemer er designet for å studere plante svar på biotiske og abiotiske påkjenninger. Her presenterer vi en hydroponic protokoll som lett kan implementeres i laboratorier som er interessert i å forfølge studier på anlegget mineral ernæring.
Denne protokollen beskriver hydroponisk systemet satt opp i detalj og ved fremstillingen av plantematerialet for vellykkede forsøk. Mesteparten av materialet som beskrevet i denne protokollen kan bli funnet utenfor vitenskapelige leverandørbedrifter, noe som gjør det satt opp for hydroponic eksperimenter rimeligere og praktisk.
Bruken av et hydroponisk vekst system er mest fordelaktig i situasjoner hvor næringsmediet må være godt kontrollert og når intakt roOTS må høstes for nedstrøms applikasjoner. Vi viser også hvordan næringskonsentrasjoner kan bli endret for å indusere plante svar på både essensielle næringsstoffer og giftige ikke-essensielle elementer.
Introduction
Planter er blant de få organismer som kan syntetisere alle de nødvendige metabolitter fra uorganiske ioner, vann og CO 2 ved hjelp av energi fanges fra solen en. Vann er en metode for å dyrke planter som tar fordel av dette faktum ved å tilveiebringe alle de næringsstoffene, i sin uorganisk form, i en flytende oppløsning, med eller uten faste medier. Hydroponic systemer har vært mye brukt av forskere for å utforske næringsstoffer krav og også giftigheten av enkelte elementer i Arabidopsis og andre plantearter 2-5. For eksempel, Berezin et al. 3, Conn et al. 4, og Alatorre-Cobos et al. 2 brukte hydroponic systemer og flere plantearter, inkludert tomat og tobakk, for å generere tilstrekkelig anlegget biomasse til mineral analyse 2-4. Industrielle anvendelser av hydroponics har også blitt utviklet for avlinger som tomat og salat 6. Her har vi outline bruk av Vann i forskningssammenheng, kan være variasjoner tilgjengelige metoder, og endelig presentere et system som lett kan skaleres og nyttige for forskningslaboratorier interessert i å studere plantemineral ernæring.
Hydroponic systemer gir enkel separasjon av rot vev og nøyaktig kontroll av næringsstoffer
Vann tilbyr flere fordeler i forhold til jord-baserte systemer. Når fjernes fra jord, rotvev ofte mekanisk skjær forårsake tap av vev eller skade. Dette gjelder særlig for fine root strukturer som lateral røtter og rot hår. Hydroponic systemer som ikke benytter et inert partikkel media tillate en mindre invasiv separasjon av rot og skyte vev.
I jordsystemer, nærings biotilgjengelighet endringer gjennom jord matrise som næringsstoffer bindes til jordpartikler som skaper mikro-miljøer innenfor jord. dette heterogeneity kunne legge til en ekstra grad av kompleksitet i eksperimenter som trenger en nøyaktig kontroll på den eksterne konsentrasjonen av næringsstoffer eller andre molekyler. I motsetning til dette, er hydroponisk oppløsningen homogen og kan lett skiftes ut i løpet av eksperimentet.
Varianter av hydroponic systemer
Alle hydroponiske kulturer er avhengige av en næringsoppløsning for å levere essensielle elementene til anlegget. I tillegg til de næringsstoffer, røttene trenger også en jevn tilførsel av oksygen. Når røttene blir anoksisk de er ute av stand til å ta opp og transport metabolitter til resten av anlegget legeme 7. Vannkultur kan bli klassifisert på grunnlag av hvordan de leverer oksygen og andre næringsstoffer til røttene: oksygentilførsel ved metning av oppløsningen med luft (klassisk Vann), ved ikke å nedsenke røttene til alle tider, eller ved å la røttene for å bli fullstendig eksponert for luften (aeroponics) 8. I hydroponics,næringsoppløsning kan være mettet med luft før bruk og skiftes ofte, eller luft kan bli tilført kontinuerlig i løsningen i løpet av livssyklusen til anlegget 9. Alternativt kan plantene også dyrkes på inert media (for eksempel Rockwool, vermikulitt eller leire pellets) og utsatt for våt-tørr sykluser ved drypping løsning gjennom media eller periodisk senke underlaget i næringsløsningen 10. I aeroponics, er røtter sprayet med nærings-løsning for å hindre uttørking.
Ulemper av hydroponic systemer
Selv om hydroponic kulturer har klare fordeler fremfor jordbaserte systemer, er det noen hensyn som må bli anerkjent ved tolkningen av dataene. For eksempel, i vannkultur utsette plantene til forhold som kan bli sett på som ikke-fysiologisk. Derfor fenotyper eller plante svarene oppdaget ved hjelp av hydroponic systemer kan variere i størrelse when planter dyrkes i alternative systemer (for eksempel jord eller agar-baserte medier). Disse betraktningene er ikke unikt for hydroponic systemer; differensielle responser kan også observeres dersom plantene dyrkes i forskjellige typer jord 11,12.
Følgende protokoll gir steg-for-steg instruksjoner om hvordan du setter opp et hydroponic system i et laboratorium. Denne protokollen er optimalisert for vårskrinneblom (Arabidopsis); imidlertid, på samme måte eller i noen tilfeller identiske fremgangsmåten kan anvendes for å dyrke andre arter.
Protocol
1. Frøplante Nursery
- Dampfase sterilisering av Arabidopsis frø
- Hell frø (40-50 mg) i 1,5 ml sentrifugerør. (Se figur 1 for passende frø volum, ~ 50 mL). Merk hver tube med blyant (blekk kan forsvinne i løpet av sterilisering). Plasser hver merket tube, hetten åpen, inn i en eksikator 13.
- Plasser eksikkator i en aktiv avtrekkshette og lukke eksikatoren ventil.
- Delmengde 100 ml blekemiddel (NaCIO 6,15%) i en 250 ml begerglass og deretter plassere den i eksikator.
- Raskt tilsett 3 ml 12 M saltsyre til blekemiddel ved hjelp av en overføring pipette. Raskt lukke lokket av eksikatoren som reaksjonen forløper hurtig. Tillate sterilisering for å fortsette i 4 timer (markering et rør med blekk og å se blekket forsvinner hjelper til med å visualisere at en tilstrekkelig mengde av klorgass som er generert).
FORSIKTIG: Klorgass er giftig; håndtaksine rester med ekstra sikkerhetstiltakene i en funksjonell avtrekkshette. Kontakt lokale myndigheter eller besøke nettsiden til Environmental Health and Safety Department - University of Missouri (ESH-MU) 14 for kjemikaliesikkerhet og retningslinjer for bruk av et avtrekksskap: https://ehs.missouri.edu/chem/. - Femten minutter før sterilisering er fullført (3,75 timer), slå på en laminær hette og rengjør overflaten med 70% etanol.
- Etter 4 timer av sterilisering åpne ventilen, kort fjerne lokket på tørkeapparat inne i avtrekksskap, fjerne blekemiddel, og kast den i henhold til institusjonelle prosedyrer. Dette trinnet vil gi ut en stor del av klor røyk. Tett steriliseringskammeret og bringe den til laminær hette. Åpne lokket vidt og lufte steriliserte frø for ca 40 min. Etter denne tid, bruke frøene umiddelbart eller oppbevar på et tørt sted.
Merk: Vapor-fase sterilisering av frø er anbefalt, men andre metoder sulm som alternative vasker med etanol, blekemiddel og vann som beskrevet i Alatorre-Cobos et al. 2 er like effektive.
- Kultur media for frø spiring
Merk: kultur media forberedt på dette trinnet er ¼ Murashige og Skoog (MS) med vitaminer 15.- Legg 450 ml deionisert vann (DI-vann), 0,55 g MS media pluss vitaminer, 0,3 g MES (4-morpholineethanesulfonic-hydrat), og en magnetisk rørestav inn i en 1-liters begerglass.
- Løs opp og justere pH til 5,7 med NaOH og deretter legge 3,5 g phytoagar. Rør løsningen for 5 minutter.
- Hell hele oppløsningen inn i en gradert sylinder og tilsett DI vann opp til 500 ml. Autoklav denne 500 ml oppløsning, med en magnetisk rørestav inne anvendelse av en 1 L autoklav flaske.
- Etter at oppløsningen er blitt autoklavert, omrøres oppløsningen i 7-10 min ved hjelp av magnetrører i flasken.
- Etter at media er avkjølttil 50-60 ° C, hell media i platene under sterile forhold og la den stivne. Platene kan lagres for senere bruk i kjølerommet.
- Seed plating
- Slå på laminær hette 15 min før bruk og rengjør overflaten med 70% etanol. Følgende elementer kreves: sterile frø, filter papir, tannstikkere, Micropore tape og ¼ MS plater.
- Plasser sterile frø på et sterilt filterpapir. Litt våt den ene enden av en steril tannpirker (med sterilt vann, eller ved å stikke den ¼ MS media). Bruk denne fuktes slutt å plukke frø fra filterpapiret og deretter legge dem ut på media overflaten.
- Spredning av frøene på tvers av platen ved en tetthet på ca. 1 frø pr cm 2 (figur 2). Deretter bruker Micropore tape for å holde platen lokket er festet til platelegemet. Denne type bånd er med på å hindre forurensning, samtidig som gassutveksling mellom luften og den mikroklima inside platen.
- Før spiring, stratify frøene ved å holde platene to dager i kjølerommet dekket mot lys.
- Etter lagdeling, plassere frøene i et vekstkammer eller i et sted med optimale vekstbetingelser (23 ° C, 16 timers lys / 8 timers mørke og 60% relativ fuktighet i Arabidopsis). Frøplanter vil være klar for hydroponics 10-12 dager etter spiring.
Merk: Under spiringen kan det være et betydelig kondensasjon under lokket av platen, for å forhindre drukning, bør det overskytende vannet kastes under sterile betingelser i en laminær strømningshette.
2. Hydroponic Setup og Transplant Process
- hydroponic løsning
Merk: Som nevnt i innledningen, kan plantene har spesifikke ernæringsbehov Arabidopsis har blitt dyrket med næringsoppløsningen vist i tabell 1 16 Avhengig av leverandørene, den..salter som er oppført her, kan ha forskjellig vanninnhold (hydratisert) og ved bruk av slike alternativer påvirker ikke egenskapene til næringsoppløsningen, så lenge molariteten holdes konstant.- Forbered lager løsninger for hver makronæringsstoff i forskjellige flasker (tabell 1) og alle mikronæringsstoffer bortsett Fe-EDTA i en steril flaske (sterilisere ved filtrering bruker 0,22 mikrometer membraner). legger alltid Fe-EDTA endelig når blande løsningen. Forbered en 10x næringsstoff løsning i forkant av forsøket, men autoklav og oppbevares ved 4 ° C. Bruk eller endre næringsstoffer bare når næringsløsningen har nådd romtemperatur.
- transplanterer
- Forbered anlegget holder og hydroponic beholdere
- Gjøre et snitt i skummet, som løper langs dens lengde ved hjelp av et barberblad (se figur 3). Forbered en plugg per plante.
- Flytende-autoklav skum tube plugger dynket i DI vann. </ Li>
- Skjær skumpanel i mindre brett, og pass på at bredden og lengden på skum bord er 0,5-1,0 cm mindre enn størrelsen på beholderen (se figur 4).
- Bruk en kork borer for å lage hull på skum bord. Tettheten av plantene bør være jevnt fordelt, ideelt sett en plante per 10 cm 2. Denne tetthet vil holde plantene pent adskilt fra hverandre; høyere tettheter er imidlertid mulig og vil ikke være til hinder for suksessen av forsøkene. Sørg for at størrelsen på hullene stemmer overens med størrelsen på pluggene (se figur 4).
- Fylle beholdere med næringsløsningen. Sørge for at dybden av oppløsningen er tilstrekkelig for rotutvikling (minst 5 cm). Deretter forsiktig plasserer skum bord på løsningens overflate.
- Sett opp luftpumpesystem for å tilføre oksygen i løsningen (se figur 5).
Merk: Fyll ut hydroponic beholder med nærings-løsning same døgnet frøplanter blir transplantert. Dekker sidene av beholderen mot lys vil bidra til å hindre algevekst.
- Frøplante overføring fra platene til hydroponic system
- Bruk små pinsett til å trekke forsiktig hver frøplante ut av mediet plate og legge roten langs snittet av skum tube pluggen. plugg forsiktig skum tube holder frøplante inn i skum bord og sett brettet tilbake til hydroponic container. Se figur 6 for aktuelle manipulasjon.
- Forbered anlegget holder og hydroponic beholdere
3. Hydroponic Eksperimenter
- Næringsstoff løsning erstatning og manipulasjon
- Næringsstoff løsning erstatning
- For å erstatte næringsstoffet løsning, forberede fersk hydroponic løsning som beskrevet i trinn 2.1. Fjern skum bord inneholder planter fra hydroponic beholderen og legg den i en midlertidig container fylt medvann eller hydroponic løsning.
- Kast den gamle løsningen, skyll beholderen kort tre ganger med DI vann. Tilsett nylaget hydroponic løsning i denne beholderen og legg forsiktig skum bord med planter tilbake i hydroponic beholderen. Bytt hydroponic løsningen to ganger i uken.
- Endring av næringsblanding av hydroponisk oppløsningen
- Justere sammensetningen av hydroponisk løsningen vist i tabell 1 for å modifisere den endelige konsentrasjonen av et element av interesse. For eksempel, for å indusere mangel jern (Fe), modifisere hydroponisk løsning for å redusere konsentrasjonen av Fe-EDTA. Ta med et sett med kontrollplanter dyrket på full (eller fylt) hydroponic løsning, uten modifisering, for sammenligning.
- For å manipulere den næringsoppløsning med en giftig element, først fremstille en uavhengig stamoppløsning av det ønskede giftig element, fortrinnsvis 1,000x konsentrert. Bruk enpipette for å pigge hydroponisk løsning med den giftige element ved den ønskede sluttkonsentrasjon ved hjelp av 1,000x konsentrert lager.
- For eksempel, for å lage 3 liter hydroponisk oppløsning inneholdende 20 uM av kadmium, fremstille en 0,5 M CdCl to lager, og tilsett 120 ul av 0,5 M CdCl to lager inn i 3 l hydroponisk løsning. Ta med en kontroll sett av planter dyrket på hydroponics uten CdCl 2 for sammenligning.
FORSIKTIG: Giftig elementer som kadmium, arsen og bly er svært farlig for menneskers helse og miljøet. Ta kontakt med lokale myndigheter eller besøke nettsiden til HMS-MU (https://ehs.missouri.edu/train/chemical.html) 14 for miljø- og helsesikkerhetsretningslinjer før gjennomføre eksperimenter.
- Næringsstoff løsning erstatning
- Instrument sterilisering for neste forsøk
- Da nesten alt det materiale som benyttes for å fremstille hydroponisk satt opp kan bligjenbrukes, rengjøre de forskjellige delene med fortynnet blekemiddel (NaCIO 0,6%).
- Etter skylling med blekemiddel, skylles alle materialer grundig med DI vann. Hold beholderne, skum boards, og akvarium boble steiner på et tørt sted for fremtidig bruk. Skum plugger er klare for gjenbruk etter fjerning av røtter og blir autoklaveres.
Representative Results
I denne delen, er resultatene av to typer eksperimenter, ved hjelp hydroponisk system som er beskrevet her, er presentert. I det første eksperimentet, ble næringsstoffet løsning modifiseres for å oppnå forskjellige konsentrasjoner av sink. Vi har også modifisert næringsmiddeloppløsningen ved tilsetning av ikke-dødelige konsentrasjoner av det toksiske element kadmium (figur 7). I det andre eksperimentet brukte vi induktivt koplet plasma optisk emisjonsspektroskopi (ICP-OES) en for å måle elementsammensetningen av røtter og blader av planter dyrket i hydroponisk oppløsning inneholdende kadmium (figur 8). Dette forsøk illustrerer fordelene ved å skaffe røtter og blader separat.
Forsøk 1
Arabidopsis frøplanter (Col-0) ble dyrket i hydroponic systemet beskrevet i protocol trinn 1 og 2. Planter ble tillatt å vokse i totalt 3 uker før de ble behandlet med forskjellige sink- konsentrasjoner (Figur 7A-B), eller et ikke-dødelig konsentrasjon av kadmium (figur 7C). Seks dager etter behandling, planter som dyrkes ved høye sinkkonsentrasjoner (> 42 mm) viste en forsinket vekst på grunn av Zn toksisitet, mens planter uten ekstra sink lagt også viser forsinket vekst sammenlignet med planter dyrket med 7 mikrometer Zn 2+. Figur 7 viser også reduksjon i skuddvekst, rotvekst, og chlorotic blad typiske symptomer på planter utsatt for kadmium (figur 7C).
Forsøk 2
Col-0 Plantene ble dyrket som beskrevet i trinn 1 og 2. Etter to uker ble den ikke-modifiserte (fylt) oppløsning erstattet med 80 ml av hydroponisk oppløsning inneholdende 20 pM Cd. Etter 72 timerss, rot vev ble vasket ved å overføre hele skumplate med planter i et nytt kar inneholdende 80 ml 20 mM Tris (pH 8,0) og 5 mM EDTA. Denne løsningen vil fjerne tungmetallene er bundet til overflaten av roten. Plantene ble inkubert i EDTA-inneholdende oppløsning på en rotasjonsrister i 5 minutter. EDTA-løsning ble deretter erstattet med 80 ml DI-vann og plantene ble inkubert på en rotasjonsrister i ytterligere 5 minutter. Dette rensetrinnet med DI-vann ble gjentatt to ganger. Etter skylling plantene med DI vann, ble bladet og roten vev høstet uavhengig av hverandre og behandlet for ICP-OES 1. Figur 8 viser at elementsammensetningen av blader er forskjellig fra røtter, hvor makronæringsstoffer (Ca, K og Mg) i bladvev er tilstede i høyere konsentrasjon sammenlignet med røtter. På den annen side, er mikronæringsstoffer slik som Zn og Fe fortrinnsvis akkumulert i røtter. Konsentrasjonen av de ikke-essensielle element kadmium ble funnet å være hi gher i røttene i forhold til skudd.
Figur 1. Damp-fase sterilisering av Arabidopsis frø. (A) Mengde Arabidopsis frø pr 1,5 ml sentrifugerør. (B) Rør som inneholder frø med caps åpne i røret stativ holder klar for sterilisering, en tube med en blekk-merket på hetten er inkludert. (C) for sterilisering satt opp inne i en eksikator, lokk og ventilen lukket. (D) Blekket-merket på lokket av et rør med i frø sterilisering prosessen med sterk farge blekk-merket før og etter sterilisering. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
filer / ftp_upload / 54317 / 54317fig2.jpg "/>
Figur 2. Seed plating trinn. (A) Frø er plassert på steriliseres papir før plating. En sterilisert tannpirker er også nødvendig for dette trinn. (B) Svakt våte enden av tannpirker med media eller vann på siden av mediet platen. (C) Frø er beveget til ¼ MS platene. (D) En ideell tetthet av frø er ≈1 frø / cm 2. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Skum plugg benyttes til å holde frøplanter i næringsløsningen. Et snitt på halvparten av skum tube pluggen hjelper å holde frøplante under transplantere fra platene til hydroponics.Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. Skum bord forberedelse. (A) Kontroller størrelsen på malen skum bord med container størrelse før du tilbereder skum bord i store mengder. To små perforeringer laget ved sentrum av den skumplate gjør det lettere å holde og håndtere skummet ved hjelp av pinsett. (B- C) En korkbor brukes til å lage hull på skumplate. (D) Kontroller riktig tilpasning mellom skum tube pluggen og hull opprettet på skum bord. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
. Figur 5. Luftpumpe innstilt for hydroponic eksperiment fra topp-view (A) og side-visning (B) Tallene angir: 1 - pumpe leverer luft; 2 - plastrør som forbinder luftpumpen med ventilsystem til å styre luftstrømmen; 3 - ventilsystemet; 4 og 5 - plastrør forbinder ventilsystem med boble steiner for lufting; 6 og 7 -. Boble steiner (selges for fisk tanks) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6. Overføring av frøplanter til hydroponic systemet. (A) Bruk pinsett til å ta en frøplante ut av mediet plate. (B) Plasser frøplante root langs snittet på skumrøret pluggen. (C) Sett skum tube pluggen inn i skum bord. (D) En ferdig skum bord setting med frøplanter klar til å bli plassert på nærings-løsning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7. Nærings løsninger kan bli modifisert for å teste mangel eller toksiske effekter av elementene 4 uker gamle hydroponisk vokst Arabidopsis 6 dager etter behandling.: (AB) planter dyrket med 0, 7, 14, 21, 28, 35, 42, og 50 mikrometer av Zn. Planter dyrket ved høye Zn konsentrasjoner (> 42 mm) viser forsinket vekst (giftighet), mens planter uten Zn lagt også viser forsinket vekst (næringsmangel) sammenlignet med planter dyrket med 7 mikrometer Zn 2+. (C) Planter dyrket i fravær (venstre) eller nærvær av 20 pM Cd i næringsløsningen (bilde ble tatt etter 6 dager med eksponering Cd). Kadmium eksponering induserer chlorosis og reduserer veksten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8. elementsammensetningen av røtter og skudd fra planter dyrkes hydroponisk. Skyter inneholde flere makronæringsstoffer (Ca, K, Mg) i forhold til røttene, mens de grunnleggende mikronæringsstoffer sink og jern er mer konsentrert i røtter. På tilsvarende måte de ikke-essensielle element kadmium fortrinnsvis akkumulert i røtter. Feilfelt representerer 95% konfidensintervall (n = 14, skudd og n = 9, røtter)._upload / 54317 / 54317fig8large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Type næringsstoff | Salt / Reagens | Konsentrasjon i hydroponic løsning | Enhet | ||||
| macronutrient | kno 3 | 1.250 | mM | ||||
| macronutrient | KH 2 PO 4 | 0,625 | mM | ||||
| macronutrient | MgSO4 | 0.500 | mM | ||||
| macronutrient | Ca (NO 3) 2 | 0.500 | mM | ||||
| mikronæringsstoffer | H 3 BO 3 | 17.500 | iM | ||||
| mikronæringsstoffer | MnCI2 | 5.500 | iM | mikronæringsstoffer | ZnSO4 | 0.500 | iM |
| mikronæringsstoffer | Na 2 Moo 4 | 0,062 | iM | ||||
| mikronæringsstoffer | NaCl 2 | 2.500 | iM | ||||
| mikronæringsstoffer | CoCl 2 | 0,004 | iM | ||||
| mikronæringsstoffer | FeEDTA | 12.500 | iM |
Tabell 1. Effektiv konsentrasjon av næringsstoffer i hydroponisk løsning.
Discussion
Helsen til frøplanter brukes for hydroponics er en av de viktigste faktorene som bidrar til suksess for en hydroponic eksperiment. Sterilisering av instrumenter, frø, og kulturmediet også spille en viktig rolle i å redusere risikoen for forurensning og tilveiebringe en god start for plantene før de blir transplantert inn i hydroponisk system. Et arbeidsmiljø med fasiliteter som en autoklav, avtrekkshette, kaldt rom (4 ° C), og veksten plass med kontrollerte forhold (lys intensitet og temperatur) er nødvendig for en god eksperimentell satt opp.
Helse på nærings-løsning også bestemmer plantehelse og i sin tur avgjør suksessen til en hydroponic eksperiment. Siden vannet fordamper raskere under direkte belysning, vil konsentrasjonen av salter endres på grunn av en reduksjon av totalløsning volum; Derfor er det best å endre hydroponisk oppløsning minst to ganger i uken. Men hvis store, dype containereutstyrt med en luftpumpesystem blir brukt, kan det ikke være nødvendig å skifte ut næringsoppløsningen for eksperimenter som er korte i varighet. Legg merke til at i tilfelle av Arabidopsis vi brukte Magenta fartøy (77 mm bredde x 77 mm lengde x 97 mm høyde), men også andre, større beholdere kan også brukes for å få plass til større anlegg.
For forskere som er interessert i plantenæringsstoffer, hydroponic eksperimenter gir en unik setting for å teste anlegget fenotyper og reaksjoner til ulike næringsstoffer 17. Ved å manipulere konsentrasjonene av elementer av interesse, kan forskere sette opp forskjellige eksperimenter for å teste effekten av forsyning, mangel, eller toksiske konsentrasjoner av essensielle og ikke-essensielle næringsstoffer. I forhold til jord-baserte system, gir hydroponisk systemet en mer homogen næringsmedium for planter med mindre risiko for jordbårne sykdommer. I tillegg kan både rot og skyter vev høstes og separeres lettfor videre analyser på spesifikke plantemateriale.
I representativt snitt, introduserte vi to eksempler der en enkelt hydroponic systemet ble brukt for mer detaljerte studier av plantenæring. I det første eksemplet, ved å dyrke planter på en sink konsentrasjonsgradient, var vi i stand til å illustrere nivået av kontroll som kan oppnås på næringssammensetningen ved hjelp av denne hydroponic system. Planter dyrket med 7 mikrometer Zn vokste mye hardere enn planter dyrket i 50 M Zn, mens planter dyrkes uten ekstra Zn lagt ble hemmet i forhold til planter dyrket med 7 mikrometer Zn. Dette var delvis på grunn av lengden av tid plantene ble tillatt å vokse under tilstrekkelige betingelser; tidligere fjerning av Zn fra media er sannsynlig å indusere sterkere sink-mangel symptomer. Å anvende det samme prinsipp, var vi i stand til å indusere toksisitet ved bruk av ikke-essensielle metall, kadmium, som er kjent for å svekke plantevekst.
I den andreeksempel elementsammensetningen av Col-0 røtter og skudd behandlet med 20 pM Cd i 72 timer ble bestemt ved ICP-OES. Vi fant forskjeller i alle oppdagede metaller mellom røtter og skudd. Makroelementene ble funnet i høyere konsentrasjoner i skuddene i forhold til røttene, mens jern og sink ble funnet mer rikelig i røtter. Kadmium fulgt et mønster som ligner på jern og sink, være mer konsentrert i røttene i forhold til skudd. Disse data forsterke den ideen at blader og røtter gir forskjellig informasjon om ionome status av anlegget og dermed begge vev må analyseres separat for å forstå mineral ernæring og sammensetning på det hele anlegget nivå. Foruten ICP-OES flere spektroskopiske metoder som Atomic Absorption spektroskopi (AAS) eller induktivt koblet plasma massespektrometri (ICP-MS) kan også brukes til å måle elementsammensetningen (ionome) av plantevev 18-20.
I en hydroponic eksperiment, symptomer og fenotyper av planter reagerer på ulike næringsforhold representerer begynnelsen på hva som kan bli utvidet til mer utdypet analyser som genekspresjon (transcriptomics) og protein overflod (proteomikk). Disse -omic teknikkene er nøklene til å integrere anlegget metabolisme ved å vurdere prosesser i en vev-spesifikk måte.
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).
