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.
sistemas hidropónicos se han utilizado como uno de los métodos estándar para la investigación de biología vegetal y también se utilizan en la producción comercial de varios cultivos, incluyendo lechuga y tomate. Dentro de la comunidad de investigación de plantas, numerosos sistemas hidropónicos se han diseñado para estudiar la respuesta de las plantas a estreses bióticos y abióticos. Aquí se presenta un protocolo hidropónico que se puede implementar fácilmente en los laboratorios interesados en seguir estudios sobre la nutrición mineral de las plantas.
Este protocolo describe el sistema hidropónico configurar en detalle y la preparación de material vegetal para experimentos exitosos. La mayor parte de los materiales descritos en este protocolo se puede encontrar fuera de las empresas de suministro científicos, haciendo que el establecido para los experimentos hidropónicos menos costosa y conveniente.
El uso de un sistema de cultivo hidropónico es más ventajosa en situaciones en las que tienen que estar bien controlado los medios nutrientes y cuando ro intactaots necesitan ser cosechadas para aplicaciones posteriores. También demostramos cómo las concentraciones de nutrientes puede ser modificado para inducir respuestas de las plantas a ambos nutrientes esenciales y los elementos no esenciales tóxicos.
Las plantas son de los pocos organismos que pueden sintetizar todos los metabolitos necesarios de iones inorgánicos, agua y CO2 utilizando la energía captada del sol 1. La hidroponía es un método de cultivo de plantas que se aprovecha de este hecho al proporcionar todos los nutrientes, en su forma inorgánica, en una solución líquida con o sin medios sólidos. Sistemas hidropónicos se han utilizado ampliamente por los científicos para explorar las necesidades de nutrientes y también la toxicidad de algunos elementos en Arabidopsis y otras especies de plantas 2-5. Por ejemplo, Berezin y col. 3, Conn et al. 4, y Alatorre-Cobos et al. 2 utiliza sistemas hidropónicos y varias especies de plantas incluyendo el tomate y el tabaco, para generar suficiente biomasa vegetal para análisis de minerales 2-4. Aplicaciones industriales de la hidroponía también se han desarrollado para cultivos tales como tomate y lechuga 6. En este sentido, oSQUEMA el uso de hidroponía en el contexto de la investigación, las posibles variaciones en los métodos disponibles, y, finalmente, presentar un sistema que puede ser fácilmente escalable y útil para los laboratorios de investigación interesados en estudiar la nutrición vegetal mineral.
Sistemas hidropónicos permiten una fácil separación de tejido de la raíz y el control preciso de la disponibilidad de nutrientes
La hidroponía ofrece varias ventajas sobre los sistemas basados en el suelo. Cuando se extrae del suelo, el tejido de la raíz a menudo a cizallamiento mecánico que causa la pérdida de tejido o daño. Esto es particularmente cierto para las estructuras de la raíz finos tales como raíces laterales y pelos radiculares. sistemas hidropónicos que no utilizan un medio inerte en partículas permiten una separación menos invasiva de las raíces y retoños tejidos.
En los sistemas de suelo, los cambios de biodisponibilidad de nutrientes a través de la matriz del suelo como nutrientes se unen a las partículas del suelo, creando micro-ambientes dentro de la tierra. este heterogeneity podría añadir un nivel adicional de complejidad en los experimentos que necesitan un control preciso de la concentración externa de nutrientes o de otras moléculas. En contraste, la solución hidropónica es homogénea y se puede sustituir fácilmente a través del curso del experimento.
Las variantes de los sistemas hidropónicos
Todos los cultivos hidropónicos se basan en una solución de nutrientes para entregar elementos esenciales para la planta. Además de los nutrientes, las raíces también necesitan un suministro constante de oxígeno. Cuando las raíces se vuelven anóxicos no son capaces de asumir y metabolitos de transporte con el resto del cuerpo de la planta 7. sistemas hidropónicos se pueden clasificar en función de cómo entregar el oxígeno y otros nutrientes a las raíces: el aporte de oxígeno mediante la saturación de la solución con aire (hidroponía clásicos), al no sumergir las raíces en todo momento, o permitiendo que las raíces para ser completamente expuestos a el aire (aeroponía) 8. En hidroponía,solución de nutrientes puede ser saturada con aire antes de su uso y cambiar con frecuencia, o el aire puede ser suministrado de forma continua en la solución durante el ciclo de vida de la planta 9. Alternativamente, las plantas también pueden ser cultivadas en medios inerte (gránulos, por ejemplo, lana de roca, vermiculita, o arcilla) y se sometieron a ciclos de húmedo-seco por la solución de goteo a través de los medios de comunicación o sumergiendo el sustrato en la solución de nutrientes 10 periódicamente. En aeroponía, las raíces son rociados con la solución de nutrientes para evitar la desecación.
Las desventajas de los sistemas hidropónicos
Aunque los cultivos hidropónicos ofrecen claras ventajas sobre los sistemas basados en el suelo, hay algunas consideraciones que deben ser reconocidos en la interpretación de los datos. Por ejemplo, los sistemas hidropónicos exponen las plantas a condiciones que pueden ser vistos como no fisiológica. Por lo tanto, fenotipos o respuestas de las plantas detectan utilizando sistemas hidropónicos pueden variar en magnitud cuando planeesn plantas se cultivan en sistemas alternativos (por ejemplo, el suelo o los medios de comunicación basados en agar). Estas consideraciones no son únicos para los sistemas hidropónicos; respuestas diferenciales también se pueden observar si las plantas se cultivan en diferentes tipos de suelo 11,12.
El siguiente protocolo proporciona instrucciones paso a paso sobre cómo configurar un sistema hidropónico en un laboratorio. Este protocolo se ha optimizado para Arabidopsis thaliana (Arabidopsis); Sin embargo, similar o en algunos casos pasos idénticos se puede utilizar para cultivar otras especies.
La salud de las plantas de semillero se utilizan para el cultivo hidropónico es uno de los principales factores que contribuyen al éxito de un experimento hidropónico. La esterilización de los instrumentos, las semillas y los medios de cultivo también juegan un papel importante en la reducción del riesgo de contaminación y proporciona un buen punto de partida para las plantas antes de que se trasplantan en el sistema hidropónico. Un entorno de trabajo con instalaciones como un autoclave, campana extractora de humos, frío-habitación (4 ° C), y el espacio de crecimiento con condiciones controladas (intensidad de luz y temperatura) es necesario para dar un buen experimental arriba.
La frescura de la solución nutritiva también determina la salud de las plantas y, a su vez determina el éxito de un experimento hidropónico. Dado que el agua se evapora más rápido en condiciones de iluminación directa, la concentración de sales va a cambiar debido a una reducción del volumen total de la solución; Por lo tanto, lo mejor es cambiar la solución hidropónica al menos dos veces a la semana. Sin embargo, si los contenedores grandes y profundosequipado con un sistema de bomba de aire se utilizan puede que no sea necesario sustituir la solución de nutrientes para los experimentos que son de corta duración. Observamos que en el caso de Arabidopsis se utilizaron vasos Magenta (77 mm de ancho x 77 mm de longitud x 97 mm de altura) pero otros recipientes más grandes, también se pueden utilizar para dar cabida a las plantas más grandes.
Para los investigadores interesados en nutrientes para las plantas, los experimentos hidropónicos proporcionan un entorno único para probar fenotipos y respuestas de las plantas a diferentes disponibilidad de nutrientes 17. Mediante la manipulación de las concentraciones de los elementos de interés, los investigadores pueden establecer diferentes experimentos para probar los efectos de la suficiencia, la deficiencia, o concentraciones tóxicas de nutrientes esenciales y no esenciales. En comparación con el sistema basado en tierra, el sistema hidropónico proporciona un medio nutriente más homogénea a las plantas con menos riesgo de enfermedades transmitidas por el suelo. Además, tanto las raíces y retoños tejidos pueden ser cosechadas y se separan fácilmentepara profundizar el análisis de tejidos vegetales específicos.
En la sección representativa, presentamos dos ejemplos en los que un sistema hidropónico sencilla se utilizó para estudios más detallados sobre la nutrición de las plantas. En el primer ejemplo, por las plantas que crecen en un gradiente de concentración de cinc, hemos sido capaces de ilustrar el nivel de control que se puede alcanzar en la composición de nutrientes utilizando este sistema hidropónico. Las plantas cultivadas con 7 M Zn crecieron mucho más vigorosa en comparación con las plantas cultivadas en 50 mM de Zn, mientras que las plantas cultivadas sin adición de Zn tenían retraso del crecimiento adicional en comparación con las plantas cultivadas con 7 M de Zn. Esto fue en parte debido a la longitud de tiempo se permitió que las plantas para crecer en condiciones suficientes; la eliminación temprana de Zn de los medios de comunicación es probable que induzca síntomas de deficiencia de zinc-fuertes. Aplicando el mismo principio, hemos sido capaces de inducir toxicidad usando el metal no esencial, cadmio, que es conocido por afectar el crecimiento de las plantas.
En el segundoejemplo, la composición elemental de Col-0 raíces y brotes tratados con 20 mM Cd durante 72 horas se determinó por ICP-OES. Encontramos diferencias en todos los metales detectados entre las raíces y brotes. Macro-elementos se encuentran en concentraciones más altas en los brotes relativos a las raíces, mientras que el hierro y el zinc se encontraron más abundantes en las raíces. Cadmio siguió un patrón similar al hierro y zinc, siendo más concentrada en las raíces en comparación con brotes. Estos datos refuerzan la idea de que las hojas y las raíces proporcionan información diferente sobre el estado ionome de la planta y por lo tanto ambos tejidos deben ser analizados por separado para entender la nutrición mineral y composición en el nivel de planta entera. Además de ICP-OES varios métodos espectroscópicos tales como espectroscopía de absorción atómica (AAS) o plasma acoplado inductivamente espectrometría de masas (ICP-MS) también puede ser utilizado para medir la composición elemental (ionome) de tejidos vegetales 18-20.
En una hydroponic experimento, los síntomas y los fenotipos de las plantas responden a diferentes condiciones de nutrientes representan el comienzo de lo que podría ser extendido a más elaborados tales como los análisis de la expresión génica (transcriptómica) y la abundancia de proteínas (proteómica). Estas técnicas ómicas son claves para integrar el metabolismo vegetal, considerando los procesos de una manera específica de tejido.
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 |