Author Produced

Hydrocultuur: Een veelzijdig systeem om Nutrient Toewijzing en Plant Responses to beschikbaarheid van voedingsstoffen en de blootstelling aan giftige elementen Studie

Biology
 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Nguyen, N. T., McInturf, S. A., Mendoza-Cózatl, D. G. Hydroponics: A Versatile System to Study Nutrient Allocation and Plant Responses to Nutrient Availability and Exposure to Toxic Elements. J. Vis. Exp. (113), e54317, doi:10.3791/54317 (2016).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Substraatteeltsysteem zijn gebruikt als een van de standaardmethoden voor plantenbiologie onderzoek en worden ook gebruikt in de productie van diverse gewassen, zoals sla en tomaat. Binnen de plant onderzoek gemeenschap, hebben tal van hydrocultuur systemen zijn ontworpen om te planten reacties op biotische en abiotische stress te bestuderen. Hier presenteren we een hydrocultuur protocol dat gemakkelijk in laboratoria geïnteresseerd zijn in het nastreven van studies over planten minerale voeding kan worden geïmplementeerd.

Dit protocol beschrijft de hydrocultuur systeem opgezet in detail en de voorbereiding van plantaardig materiaal voor een succesvolle experimenten. De meeste van de in dit protocol beschreven materialen kunnen worden gevonden buiten de wetenschappelijke toeleverende bedrijven, waardoor de set-up voor de hydrocultuur experimenten goedkoper en handig.

Het gebruik van een hydrocultuurkamer systeem voordeligst situaties waarin de voedingsmedia moeten goed worden gecontroleerd en onbeschadigde roots nodig voor downstream-toepassingen om geoogst te worden. We tonen ook hoe nutriëntconcentraties kan worden aangepast om planten responsen op zowel essentiële nutriënten en toxische niet-essentiële onderdelen induceren.

Introduction

Planten zijn een van de weinige organismen die alle vereiste metabolieten van anorganische ionen, water en CO 2 met behulp van de energie die van de zon 1 kan synthetiseren. Hydrocultuur is een werkwijze voor het kweken van planten die gebruik maakt van dit feit door alle voedingsmiddelen in de anorganische vorm, in een vloeibare oplossing met of zonder vaste media. Hydrocultuur systemen zijn uitgebreid gebruikt door wetenschappers voor het verkennen van voedingsstoffen eisen en ook de toxiciteit van sommige elementen in Arabidopsis en andere plantensoorten 2-5. Bijvoorbeeld, Berezin et al. 3, Conn et al. 4, en Alatorre-Cobos et al. 2 gebruikt hydrocultuur systemen en verschillende plantensoorten, waaronder tomaat en tabak, voldoende plantaardige biomassa voor minerale analyse 2-4 te genereren. Industriële toepassingen van hydrocultuur zijn ook ontwikkeld voor gewassen zoals tomaat en sla 6. Hier hebben we oVERZICHT het gebruik van hydrocultuur in het kader van onderzoek mogelijke variaties in de beschikbare methoden en tenslotte vormen een systeem dat gemakkelijk schaalbaar en nuttig voor onderzoekslaboratoria bijzonder interesseert installatie minerale voeding kan zijn.

Hydrocultuur systemen zorgen voor een gemakkelijke scheiding van wortel weefsel en nauwkeurige controle van de beschikbaarheid van voedingsstoffen

Hydrocultuur biedt een aantal voordelen ten opzichte van de bodem-gebaseerde systemen. Wanneer verwijderd uit de bodem, wordt wortel weefsel vaak mechanisch afgeschoven waardoor weefsel verloren of schade. Dit geldt met name voor fijne wortelstructuren zoals zijwortels en wortelharen. Hydrocultuur systemen die geen inerte deeltjes media weet te benutten toestaan ​​dat een minder invasieve scheiding van wortel en schieten weefsels.

In bodem, voedingsstoffen biologische veranderingen door bodem matrix als voedingsstoffen binden aan bodemdeeltjes het creëren van micro-omgevingen in de bodem. dit heterogeneity kan een extra niveau van complexiteit toe te voegen in experimenten nodig een nauwkeurige controle over de externe concentratie van nutriënten of andere moleculen. In tegenstelling, de hydrocultuur oplossing homogeen en kan eenvoudig worden vervangen in de loop van het experiment.

Varianten van hydrocultuur systemen

Alle hydrocultuur culturen rekenen op een voedingsoplossing aan essentiële elementen om de plant te leveren. Naast de voedingsstoffen, de wortels moet ook een constante aanvoer van zuurstof. Wanneer wortels zuurstofloos worden ze niet in staat zijn tot het nemen van en het vervoer metabolieten naar de rest van de plant lichaam 7. Substraatteeltsysteem kunnen worden ingedeeld op basis van hoe zij zuurstof en andere voedingsstoffen leveren aan de wortels: zuurstoflevering door verzadigen van de oplossing met lucht (klassieke hydrocultuur), door de wortels niet ondergedompeld te allen tijde, of doordat de wortels volledig worden blootgesteld de lucht (aeroponics) 8. In hydrocultuur,voedingsoplossing kan verzadigd met lucht voorafgaand aan het gebruik en vaak vervangen, of lucht kan continu worden geleverd in de oplossing over de levenscyclus van de plant 9. Als alternatief kunnen planten worden gekweekt op media inert (bijvoorbeeld steenwol, vermiculiet of kleikorrels) en onderworpen aan nat-droog cycli Druppelapplicatie oplossing door de media of periodiek onderdompelen van het substraat in de voedingsoplossing 10. In aeroponics zijn wortels besproeid met de voedingsoplossing uitdroging te voorkomen.

Nadelen van hydrocultuur systemen

Hoewel hydrocultuur culturen bieden duidelijke voordelen ten opzichte van de bodem-gebaseerde systemen, zijn er een aantal overwegingen die moeten worden erkend bij de interpretatie van de gegevens. Zo hydrocultuursystemen planten blootgesteld aan omstandigheden die kunnen worden beschouwd als niet-fysiologische. Daarom fenotypes of plantaardige reacties gedetecteerd met behulp van hydrocultuur systemen kunnen variëren in omvang when planten worden gekweekt in alternatieve systemen (bijvoorbeeld grond of-agar gebaseerde media). Deze overwegingen zijn niet uniek voor hydrocultuur systemen; differentiële reacties kunnen ook worden waargenomen als planten worden gekweekt in verschillende grondsoorten 11,12.

Het volgende protocol biedt stap-voor-stap instructies over hoe het opzetten van een hydrocultuur systeem in een laboratorium. Dit protocol is geoptimaliseerd voor Arabidopsis thaliana (Arabidopsis); echter vergelijkbaar of in sommige gevallen dezelfde stappen kan worden gebruikt om andere soorten groeien.

Protocol

1. Seedling Nursery

  1. Dampfase sterilisatie van Arabidopsis zaden
    1. Giet zaden (40-50 mg) in 1,5 ml centrifugebuizen. (Zie figuur 1 voor een passende zaad volume, ~ 50 pi). Label elke buis met potlood (inkt kan verdwijnen tijdens de sterilisatie). Plaats elke gelabelde buis, kap open, in een exsiccator 13.
    2. Plaats de exsiccator in een actieve zuurkast en sluit de klep van de exsiccator's.
    3. Aliquot 100 ml bleekwater (NaClO 6,15%) in een bekerglas van 250 ml en plaats deze vervolgens in de exsiccator.
    4. Voeg snel 3 ml 12 M zoutzuur tot de bleek met een transferpipet. Snel sluit het deksel van de exsiccator als reactie snel verloopt. Laat de sterilisatie verlopen gedurende 4 uur (markeren van een buis met inkt en het zien van de inkt vervagen helpt te visualiseren dat een voldoende hoeveelheid chloorgas is gegenereerd).
      LET OP: Chloorgas is giftig; handvatde residuen met extra veiligheidsmaatregelen in een functionele zuurkast. Neem contact op met de plaatselijke autoriteiten of ga naar de website van de Environmental Health and Safety Department - University of Missouri (ESH-MU) 14 voor de chemische veiligheid en richtlijnen voor het gebruik van een zuurkast: https://ehs.missouri.edu/chem/.
    5. Vijftien minuten voor sterilisatie is voltooid (3.75 uur), zet een laminaire stroming kap en het oppervlak met behulp van 70% ethanol te reinigen.
    6. Na 4 uur van de sterilisatie van de klep te openen, kort verwijder het deksel van de exsiccator binnenkant van de zuurkast, verwijder het bleekmiddel, en gooi het volgens institutionele procedures. Deze stap zal een groot deel van het chloor dampen vrij. Sluit de sterilisatiekamer en breng het naar de laminaire stroming kap. Open het deksel op grote schaal en beluchten de gesteriliseerde zaden gedurende ongeveer 40 min. Na deze tijd, gebruik maken van de zaden onmiddellijk of op te slaan op een droge plaats.
      Opmerking: Vapor-fase sterilisatie van zaden wordt aanbevolen, maar andere methoden such plaatsvervangend wast met ethanol, bleekmiddel en water zoals beschreven in Alatorre-Cobos et al. 2 zijn even efficiënt.
  2. Voedingsbodems voor zaden ontkiemen
    Opmerking: De cultuur media bereid in deze stap ¼ Murashige en Skoog (MS) met vitaminen 15.
    1. Voeg 450 ml gedeïoniseerd water (DI-water), 0,55 g MS media plus vitaminen, 0,3 g MES (4-morpholineethanesulfonic hydraat), en een magnetische roerstaaf in een 1 liter glazen beker.
    2. Op te lossen en de pH instellen op 5,7 met behulp van NaOH en voeg vervolgens 3,5 g phytoagar. Blijf roeren de oplossing gedurende 5 minuten.
    3. Giet de gehele oplossing in een maatcilinder en voeg DI-water tot 500 ml. Autoclaaf 500 ml Deze oplossing met magnetische roerstaaf in de hand van een 1 L fles autoclaveerbaar.
    4. Nadat de oplossing werd geautoclaveerd, roer de oplossing gedurende 7-10 minuten met de magnetische roerder in de fles.
    5. Nadat het materiaal is afgekoeldtot 50-60 ° C, giet het medium in platen onder steriele omstandigheden en laten stollen. Platen kunnen worden opgeslagen voor later gebruik in de koude kamer.
  3. zaad plating
    1. Schakel de laminaire stroming kap 15 minuten voor gebruik en het oppervlak met 70% ethanol reinigen. De volgende items zijn nodig: steriele zaden, filter papier, tandenstokers, microporie tape en ¼ MS platen.
    2. Plaats de steriele zaden op een steriel filtreerpapier. Iets natte het ene uiteinde van een steriele tandenstoker (met steriel water of door prikken de ¼ MS media). Gebruik deze gehydrateerd einde te maken aan de zaden van de filter voor papier en vervolgens leg ze op de media oppervlak.
    3. Verspreid de zaden in de plaat bij een dichtheid van ongeveer 1 zaadje per cm 2 (figuur 2). Maak dan gebruik van microporie tape aan de plaat deksel bevestigd aan plaat lichaam te houden. Dit soort tape helpt om besmetting te voorkomen terwijl gasuitwisseling tussen de lucht en het microklimaat inside de plaat.
    4. Voordat kieming, stratify zaden door het houden van de platen twee dagen in de koude kamer behandeld tegen licht.
    5. Na stratificatie, plaats de zaden in een kweekkamer of op een plaats met optimale groeiomstandigheden (23 ° C, 16 uur licht / 8 uur donker en 60% relatieve vochtigheid gedurende Arabidopsis). Zaailingen zal klaar zijn voor hydrocultuur 10-12 dagen na het ontkiemen zijn.
      Opmerking: Bij het ontkiemen kunnen echter aanzienlijke condensatie onder het deksel van de plaat zijn, verdrinking te voorkomen, dient de overmaat water worden verwijderd onder steriele omstandigheden in een laminaire stroming kap.

2. Hydroponic Setup en Transplant Process

  1. hydrocultuur oplossing
    Opmerking: Zoals vermeld in de inleiding kunnen planten specifieke voedingsbehoeften hebben Arabidopsis met succes gekweekt met de voedingsoplossing Tabel 1 16 Afhankelijk van de leveranciers, het..zouten hier genoemde kan verschillend watergehalte (gehydrateerd) en met behulp dergelijke alternatieven beïnvloedt de eigenschappen van de voedingsoplossing zolang de molariteit constant wordt gehouden hebben.
    1. Bereid de voorraadoplossingen van elke macronutriënten in verschillende flessen (Tabel 1) en sporenelementen behalve Fe-EDTA in een steriele fles (steriliseer door filtratie via 0,22 um membranen). Voeg altijd Fe-EDTA eindelijk bij het mengen van de oplossing. Bereid een 10x voedingsoplossing vóór het experiment maar autoclaaf en bewaar bij 4 ° C. Gebruik of wijzigen van de nutriënten alleen wanneer de voedingsoplossing op kamertemperatuur is gekomen.
  2. verplanten
    1. Bereid plantaardige houder en hydrocultuur containers
      1. Een insnijding in het schuim, die langs zijn lengte met een scheermesje (zie figuur 3). Bereid een plug per plant.
      2. Liquid-autoclaaf schuim buis pluggen geweekt in DI-water. </ Li>
      3. Snijd het schuim paneel in kleinere boards, om ervoor te zorgen dat de breedte en de lengte van het schuim boards zijn 0,5-1,0 cm minder dan de grootte van de container (zie figuur 4).
      4. Gebruik een kurk boor om gaten op het schuim boord te creëren. De dichtheid van de planten wordt gelijkmatig verdeeld, idealiter 1 plant per 10 cm 2. Deze dichtheid wordt planten netjes van elkaar gescheiden te houden; hogere dichtheden zijn echter wel mogelijk en zal geen belemmering voor het succes van de experimenten. Zorg dat de grootte van de gaten bij het ​​formaat van de stekkers (zie figuur 4).
      5. Vul de containers met de voedingsoplossing. Zorg ervoor dat de diepte van de oplossing is voldoende voor wortelontwikkeling (tenminste 5 cm). Vervolgens plaatst u voorzichtig het schuim boards op het oppervlak van de oplossing.
      6. Stel de luchtpomp systeem om zuurstof in de oplossing (zie figuur 5).
        Opmerking: Vul het hydrocultuur container met voedingsoplossing de same dag zaailingen worden getransplanteerd. Die de zijkanten van de houder tegen licht helpt om algengroei te voorkomen.
    2. Zaailing transfer van platen om hydrocultuur systeem
      1. Gebruik maken van kleine pincet om voorzichtig te trekken elke zaailing uit het medium bord en leg de wortel langs de incisie van het schuim buis stekker. Sluit voorzichtig het schuim buis die de zaailing in het schuim board plaats dan de raad van bestuur terug naar de hydrocultuur container. Zie Figuur 6 voor passende manipulatie.

3. Hydroponic Experimenten

  1. Voedingsoplossing vervanging en manipulatie
    1. Voedingsoplossing vervanging
      1. Om de voedingsoplossing te vervangen, voor te bereiden verse hydrocultuur oplossing zoals beschreven in stap 2.1. Verwijder het foam board met planten uit de hydrocultuur container en plaats deze in een tijdelijke container gevuld metwater of hydrocultuur oplossing.
      2. Gooi de oude oplossing, de container spoelen kort driemaal met DI-water. Voeg de vers bereide hydrocultuur oplossing in deze container en plaats voorzichtig het schuim aan boord met planten terug in de hydrocultuur container. Vervang de hydrocultuur oplossing tweemaal per week.
    2. Het veranderen van de voedingsstoffen samenstelling van de hydrocultuur oplossing
      1. Stel de samenstelling van de hydrocultuurmiddel in tabel 1 om de uiteindelijke concentratie van een element plaats te wijzigen. Bijvoorbeeld, ijzer (Fe) deficiëntie induceert, wijzigt de hydrocultuur oplossing om de concentratie van Fe-EDTA verlagen. Omvatten een set van controle planten geteeld op de volledige (of vol) hydrocultuur oplossing, zonder enige wijziging, ter vergelijking.
      2. Om de voedingsoplossing met een giftig element te manipuleren, eerst voor te bereiden een onafhankelijke voorraad oplossing van het gewenste giftige element, bij voorkeur 1000x geconcentreerd. Gebruik eenpipet om de hydrocultuur oplossing met de giftige element op de gewenste uiteindelijke concentratie met behulp van de 1000x geconcentreerde voorraad spike.
      3. Bijvoorbeeld, om 3 liter hydroponic oplossing die 20 uM cadmium maken, stelt een 0,5 M CdCl2 beelden, en voeg 120 ul van 0,5 M CdCl2 bouillon in de 3 L hydrocultuurmiddel. Onder meer een controle set van planten gekweekt op hydrocultuur zonder CdCl2 ter vergelijking.
        LET OP: Giftige elementen zoals cadmium, arseen en lood zijn zeer gevaarlijk voor de menselijke gezondheid en het milieu. Neem contact op met de plaatselijke autoriteiten of ga naar de website van de EHS-MU (https://ehs.missouri.edu/train/chemical.html) 14 voor het milieu en de gezondheid veiligheidsrichtlijnen voorafgaand aan het uitvoeren van experimenten.
  2. Instrument sterilisatie voor de volgende experimenten
    1. Zoals bijna alle materiaal dat wordt gebruikt om de set-up kan zijn hydrocultuur bereidenhergebruikt, het reinigen van de verschillende onderdelen met verdund bleekwater (NaClO 0,6%).
    2. Na het spoelen met bleekmiddel, spoel alle materialen grondig met DI water. Houdt containers, schuim boards, en het aquarium bel stenen in een droge plaats voor toekomstig gebruik. Foam stekkers zijn klaar voor hergebruik na het verwijderen van de wortels en worden geautoclaveerd.

Representative Results

In deze paragraaf, de resultaten van twee experimenten, met het hydrocultuursysteem hier beschreven worden. In het eerste experiment werd de voedingsoplossing aangepast om verschillende concentraties van zink te verkrijgen. Ook wijzigde de voedingsoplossing door toevoegen van niet-letale concentraties van het toxische element cadmium (Figuur 7). In het tweede experiment gebruikten we inductief gekoppeld plasma optische emissiespectrometrie (ICP-OES) 1 tot de elementaire samenstelling van wortels en bladeren van planten in de hydroponic oplossing die cadmium (figuur 8) te meten. Dit experiment illustreert de voordelen van het verkrijgen van wortels en bladeren afzonderlijk.

experiment 1

Arabidopsis zaailingen (Col-0) werden gekweekt in de hydrocultuur systeem pr beschrevenotocol stappen 1 en 2. Planten liet men groeien gedurende in totaal 3 weken voor de behandeling met verschillende concentraties zink (Figuur 7A-B) of een niet-letale concentratie van cadmium (figuur 7C). Zes dagen na de behandeling, plant geteeld bij hoge concentraties zink (> 42 uM) vertoonden vertraagde groei als gevolg van toxiciteit Zn, terwijl de planten zonder extra zink voegde ook vertonen vertraagde groei ten opzichte van planten gekweekt met 7 uM Zn 2+. Figuur 7 toont ook de vermindering van de groei schieten, wortelgroei en chlorotische blad typische symptomen van planten blootgesteld aan cadmium (figuur 7C).

experiment 2

Col-0 planten werden gekweekt zoals beschreven in stappen 1 en 2. Na twee weken werd het ongemodificeerde (vol) oplossing vervangen door 80 ml hydroponic oplossing die 20 uM Cd. Na 72 uurs, werden wortelweefsels gewassen door overdracht van de gehele schuimplaat met planten in nieuw vat dat 80 ml Tris 20 mM (pH 8,0) en 5 mM EDTA. Met deze oplossing worden zware metalen gebonden aan het oppervlak van de wortel te verwijderen. Planten werden geïncubeerd in EDTA bevattende oplossing op een roterende schudder gedurende 5 minuten. EDTA-oplossing werd vervolgens vervangen door 80 ml DI water en planten werden geïncubeerd op de roterende schudder gedurende nog 5 minuten. Deze stap spoelen met DI water werd tweemaal herhaald. Reinig de planten met DI water werden blad- en wortelweefsels onafhankelijk geoogst en verwerkt voor ICP-OES 1. Figuur 8 toont dat de elementaire samenstelling van de bladeren verschilt van wortels, waarbij macronutriënten (Ca, K en Mg) in bladweefsel aanwezig zijn in hogere concentratie vergeleken met wortels. Anderzijds worden micronutriënten zoals Zn en Fe voorkeur geaccumuleerd in wortels. De concentratie van de niet-essentiële element cadmium bleek te zijn hi gher in wortels in vergelijking met scheuten.

Figuur 1
Figuur 1. Vapor-fase sterilisatie van Arabidopsis zaden. (A) Bedrag van Arabidopsis zaden per 1,5 ml centrifugebuizen. (B) De buisjes die zaden met caps geopend in de buis rek houder klaar voor sterilisatie, een buis met een inkt die op de dop is inbegrepen. (C) Sterilisatie opzetten in een exsiccator, deksel en de klep gesloten. (D) De inkt-markering op het deksel van een buis opgenomen in het zaad sterilisatieproces met sterke kleur van de inkt-mark voor en na sterilisatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

bestanden / ftp_upload / 54317 / 54317fig2.jpg "/>
Figuur 2. Zaad plating stap. (A) De zaden worden geplaatst op gesteriliseerd papier voordat plating. Een gesteriliseerde tandenstoker is ook nodig voor deze stap. (B) Enigszins nat het einde van de tandenstoker de media of water aan de zijde van het medium plaat. (C) Zaden worden verplaatst naar MS platen ¼. (D) Een ideale dichtheid van zaden ≈1 zaad / cm2. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 3
Figuur 3. Foam plug gebruikt om zaailingen in de voedingsoplossing te houden. Een incisie op de helft van het schuim buis plug helpt houden van de zaailing tijdens het transplanteren van platen hydrocultuur.Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 4
Figuur 4. Foam board voorbereiding. (A) Controleer de grootte van de template schuim bord met de container formaat voor de voorbereiding van schuim boord in grote hoeveelheden. Twee kleine perforaties gemaakt in het midden van het schuim board maken het gemakkelijker is om vast te houden en te hanteren het schuim met een pincet. (B- C) A kurkboor wordt gebruikt om gaten op het schuim boord te creëren. (D) Controleer de juiste passing tussen het schuim buis plug en gaten gemaakt op het schuim boord. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.


. Figuur 5. Air-pump setting voor hydrocultuur experiment uit top-view (A) en zijaanzicht (B) De getallen geven: 1 - pomp toevoeren van lucht; 2 - kunststofbuis verbindt de luchtpomp met het klepsysteem de luchtstroom regelen; 3 - het klepsysteem; 4 en 5 - plastic buizen aansluiten van het kleppensysteem met bel stenen voor beluchting; 6 en 7 -. Bubble stenen (verkocht voor aquaria) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 6
Figuur 6. zaailingen overbrengen naar de hydrocultuur systeem. (A) Gebruik een pincet om een zaailing uit te maken van het medium plaat. (B) Plaats de zaailing root langs de insnijding op het schuim buis stekker. (C) Steek het schuim buis stekker in het schuim board. (D) Een afgeronde schuim aan boord setting met zaailingen klaar om op de voedingsoplossing worden geplaatst. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 7
Figuur 7. voedingsoplossingen kunnen worden gemodificeerd om deficiëntie of toxische effecten van elementen getest 4 weken oude hydrocultuur gekweekt Arabidopsis 6 dagen na behandeling. (AB) planten met 0, 7, 14, 21, 28, 35, 42 en 50 pM Zn. Planten gekweekt bij hoge Zn concentraties (> 42 uM) toon vertraagde groei (toxiciteit), terwijl planten zonder Zn voegde ook tonen vertraagde groei (tekort aan voedingsstoffen) in vergelijking met planten gekweekt met 7 uM Zn2 +. (C) planten gekweekt in de afwezigheid (links) of aanwezigheid van 20 uM Cd in de voedingsoplossing (dia na 6 dagen blootstelling Cd). Blootstelling aan cadmium induceert chlorose en groei vermindert. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 8
Figuur 8. elementaire samenstelling van wortels en scheuten van planten hydrocultuur. Shoots bevatten meer macronutriënten (Ca, K, Mg) in vergelijking met de wortels, terwijl de essentiële microvoedingsstoffen zink en ijzer zijn meer geconcentreerd in de wortels. Evenzo de niet-essentiële element cadmium voorkeur geaccumuleerd in wortels. Foutbalken vertegenwoordigen de 95% betrouwbaarheidsintervallen (n = 14, scheuten en n = 9, wortels)._upload / 54317 / 54317fig8large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Soort voedingsstof Zout / reagens Concentratie in hydrocultuur oplossing Eenheid
macronutriënten KNO 3 1.250 mM
macronutriënten KH 2 PO 4 0,625 mM
macronutriënten MgSO4 0.500 mM
macronutriënten Ca (NO 3) 2 0.500 mM
micronutrient H 3 BO 3 17.500 uM
micronutrient MnCl2 5.500 uM micronutrient ZnSO 4 0.500 uM
micronutrient Na 2 MoO 4 0,062 uM
micronutrient NaCl 2 2.500 uM
micronutrient CoCl2 0,004 uM
micronutrient FeEDTA 12.500 uM

Tabel 1. Effectieve concentraties van voedingsstoffen in de hydrocultuurmiddel.

Discussion

De gezondheid van zaailingen voor hydrocultuur is een van de belangrijkste factoren die bijdragen aan het succes van een hydroponic experiment. Steriliseren van instrumenten, zaden en kweekmedia ook een belangrijke rol spelen bij het verminderen van het risico van contaminatie en een goede start voor de planten voordat ze worden getransplanteerd in de watercultuur. Een werkomgeving met faciliteiten zoals een autoclaaf, zuurkast, koude kamer (4 ° C), en groei ruimte met gecontroleerde omstandigheden (lichtintensiteit en temperatuur) is nodig om een ​​goede experimentele opstelling.

De frisheid van de voedingsoplossing bepaalt ook de gezondheid van planten en op zijn beurt bepalend voor het succes van een hydrocultuur experiment. Aangezien water sneller verdampt onder directe verlichting, wordt de zoutconcentratie veranderen vanwege een afname van totale oplossing; Daarom is het het beste om de hydrocultuur oplossing ten minste twee keer per week veranderen. Echter, als grote, diepe containersvoorzien van een luchtpomp systeem gebruikt is het niet nodig zijn om de voedingsoplossing voor experimenten die van korte duur zijn vervangen. Merk op dat bij Arabidopsis gebruikten we Magenta vaten (77 mm breed x 77 mm lengte x 97 mm hoogte), maar ook grotere containers kunnen ook worden gebruikt om grotere planten huisvesten.

Voor onderzoekers die geïnteresseerd zijn in voedingsstoffen voor planten, hydrocultuur experimenten bieden een unieke omgeving te planten fenotypes en reacties te testen op verschillende beschikbaarheid van voedingsstoffen 17. Door het manipuleren van de concentraties van de elementen plaats kunnen onderzoekers u verschillende experimenten om de effecten van toereikendheid, deficiëntie of toxische concentraties van essentiële en niet-essentiële voedingsstoffen testen. Vergeleken met de bodem systeem, de hydrocultuur systeem een ​​homogener medium om de planten met minder risico op bodemziekten. Bovendien kunnen zowel wortel en schieten weefsels worden geoogst en gemakkelijk uit elkaarvoor verdere analyses op specifieke plantaardige weefsels.

In het representatief gedeelte, introduceerden we twee voorbeelden waarin een eenvoudige hydrocultuur systeem werd gebruikt voor meer gedetailleerde studies over plantenvoeding. In het eerste voorbeeld, door het kweken van planten op een zinken concentratiegradiënt, konden we het controleniveau die kan worden bereikt op voedingssamenstelling met deze hydrocultuursysteem illustreren. Planten met 7 pM Zn groeiden veel krachtiger dan planten gegroeid in 50 pM Zn, terwijl planten zonder extra Zn toegevoegd werden belemmerd vergeleken met planten met 7 pM Zn. Dit is gedeeltelijk te wijten aan de tijd werden de planten kunnen groeien onder voldoende omstandigheden; eerdere verwijdering van Zn vanuit de media waarschijnlijk sterker zink-deficiëntie symptomen induceren. Toepassing van hetzelfde principe, konden we toxiciteit induceren via de niet-essentiële metaal, cadmium, waarvan bekend is dat plantengroei beïnvloeden.

In de secondeBijvoorbeeld, de elementaire samenstelling van Col-0 wortels en scheuten behandeld met 20 uM CD voor 72 uur werd bepaald door ICP-OES. We vonden verschillen in alle gedetecteerde metalen tussen de wortels en scheuten. Macro-elementen gevonden in hogere concentraties in de scheuten opzichte van de wortels, terwijl ijzer en zink overvloediger wortels in gevonden. Cadmium volgde een vergelijkbaar patroon ijzer en zink, die meer geconcentreerd in wortels opzichte schiet. Deze gegevens versterken het idee dat de bladeren en wortels bieden verschillende informatie over het ionome status van de plant en dus zowel weefsels moeten apart worden geanalyseerd om minerale voeding en compositie te begrijpen op het hele plant niveau. Naast ICP-OES verschillende spectroscopische methoden zoals atomaire absorptiespectroscopie (AAS) of inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie (ICP-MS) kan ook worden gebruikt om de elementaire samenstelling (ionome) van plantenweefsels 18-20 te meten.

In een hydroponic experiment, de symptomen en de fenotypes van planten reageren op verschillende voedingsstoffen omstandigheden vertegenwoordigen het begin van wat zou kunnen worden uitgebreid tot meer uitgebreide analyses uitgevoerd, zoals genexpressie (transcriptomics) en eiwit overvloed (proteomics). Deze technieken zijn -omic sleutels plantenmetabolisme integreren door te overwegen processen op een weefselspecifieke wijze.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Zobel, R. W., Del Tredici, P., Torrey, J. G. Method for Growing Plants Aeroponically. Plant Physiol. 57, 344-346 (1976).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Strojny, Z., Nowak, J. S. Effect of different growing media on the growth of some bedding plants. Acta horticulturae. 19, 157-162 (2004).
  13. Bent, A. Arabidopsis thaliana floral dip transformation method. Methods Mol Biol. 2, 87-103 (2006).
  14. Chemical Safety Environmental Health and Safety - University of Missouri. University of Missouri. Available from: https://ehs.missouri.edu/ (2013).
  15. Murashige, T., Skoog, F. A Revised Medium for Rapid Growth and Bio Assays with Tobacco Tissue Cultures. Physiol. Plant. 15, 473-497 (1962).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Baxter, I. Ionomics: studying the social network of mineral nutrients. Curr. Opin. Plant Biol. 12, 381-386 (2009).
  19. Baxter, I. Ionomics: The functional genomics of elements. Brief Funct Genomics. 9, 149-156 (2010).
  20. Salt, D. E. Update on plant ionomics. Plant Physiol. 136, 2451-2456 (2004).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics