Author Produced

Hydroponics: ett mångsidigt system att studera Närings Tilldelningen och växt Svaren till näringstillgång och exponering för giftiga ämnen

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

Hydroponiska system har använts som en av de standardmetoder för växtbiologi forskning och används även i kommersiell produktion för flera grödor, inklusive sallad och tomat. Inom anläggningen forskarsamhället, har många hydroponiska system utformats för att studera växt svar på biotiska och abiotisk stress. Här presenterar vi en hydroponiska protokoll som lätt kan genomföras i laboratorier som är intresserade av att fullfölja studier på växt mineral näring.

Detta protokoll beskriver hydro som inrättats i detalj och framställningen av växtmaterial för framgångsrika experiment. De flesta av de material som beskrivs i detta protokoll kan hittas utanför vetenskapliga leverantörsföretag, vilket gör inrättats för hydro experiment billigare och bekvämare.

Användningen av ett hydroponiska tillväxtsystem är mest fördelaktigt i situationer där de näringsmedia måste vara väl kontrollerad och när intakta roots måste skördas för tillämpningar efter. Vi visar också hur näringskoncentrationer kan modifieras för att inducera växt svar på både viktiga näringsämnen och giftiga icke-väsentliga delar.

Introduction

Växter är bland de få organismer som kan syntetisera alla nödvändiga metaboliter från oorganiska joner, vatten och CO2 med hjälp av energi fångas från solen en. Hydroponics är en metod för odling av växter som drar nytta av detta faktum genom att tillhandahålla alla de näringsämnen, i sin oorganisk form, i en vätskelösning med eller utan fasta medier. Hydroponiska system har i stor utsträckning använts av forskare för att utforska näringsbehov samt toxiciteten hos vissa element i Arabidopsis och andra växtarter 2-5. Till exempel, Berezin et al. 3, används et al. Conn 4, och et al. Alatorre-Cobos två hydroponiska system och flera växtarter inklusive tomat och tobak, för att generera tillräckligt med växtbiomassa för mineralanalys 2-4. Industriella tillämpningar av hydroponics har också utvecklats för grödor som tomat och sallad 6. Här, vi outline användningen av hydro inom ramen för forskning, möjliga variationer i tillgängliga metoder, och slutligen fram ett system som kan vara skalbar och användbar för forskningslaboratorier intresserade av att studera växt mineral näring.

Hydroponiska system möjliggör enkel separation av rot vävnad och exakt styrning av näringsämnen tillgänglighet

Hydrokultur erbjuder flera fördelar jämfört markbaserade system. När de tas bort från jord, är roten vävnad ofta mekaniskt klippt leda till förlust av vävnad eller skada. Detta gäller särskilt för fina rot strukturer såsom laterala rötter och rot hårstrån. Hydroponiska system som inte utnyttjar ett inert partikelformigt media tillåter en mindre invasiv separering av rot- och skottvävnader.

I jordsystem, närings biotillgänglighet förändringar under jordmatrisen som näringsämnen binder till jordpartiklar skapar mikromiljöer i marken. detta heterogeneity skulle kunna lägga till en extra nivå av komplexitet i experiment som behöver en exakt kontroll på den yttre koncentrationen av näringsämnen eller andra molekyler. Däremot är den hydro lösning homogen och kan enkelt bytas ut under loppet av experimentet.

Varianter av hydroponiska system

Alla hydroponiska odlingar förlita sig på en näringslösning för att leverera väsentliga delar till växten. Förutom de näringsämnen, rötterna behöver också en stadig tillförsel av syre. När rötter blir syrefria de är oförmögna att ta upp och transport metaboliter till resten av anläggningen kroppen 7. Hydroponiska system kan klassificeras baserat på hur de levererar syre och andra näringsämnen till rötterna: syretillförsel genom att mätta lösningen med luft (klassiska hydroponics), genom att inte dränka rötterna hela tiden, eller genom att låta rötterna att vara helt utsatt för luften (aeroponics) 8. I hydroponics,näringslösning kan vara mättad med luft före dess användning och ändras ofta, eller luft kan tillföras kontinuerligt i lösningen över livscykeln av anläggningen 9. Alternativt kan växterna också odlas på inert medium (t.ex. mineralull, vermikulit, eller lera pellets) och utsattes för våt-torra cykler genom dropplösning via media eller period dränka substratet i näringslösningen 10. I aeroponics är rötter besprutas med näringslösningen för att förhindra uttorkning.

Nackdelar med hydroponiska system

Även hydro kulturer har tydliga fördelar jämfört med markbaserade system, finns det några överväganden som måste kvitteras vid tolkning av data. Till exempel, hydroponiska system utsätta växter villkor som kan ses som icke-fysiologiska. Därför fenotyper eller växt svar detekteras med hjälp av hydroponiska system kan variera i storlek when växter odlas i alternativa system (t.ex. jord eller agar-baserade medier). Dessa överväganden är inte unika för hydroponiska system; differentialsvar kan också iakttas om växterna odlas i olika typer av jord 11,12.

Följande protokoll ger steg-för-steg-instruktioner om hur man ställer in en hydroponiska system i ett laboratorium. Detta protokoll har optimerats för Arabidopsis thaliana (Arabidopsis); dock jämförbara eller i vissa fall identiska steg kan användas för att odla andra arter.

Protocol

1. Groddplanta Nursery

  1. Ångfas sterilisering av Arabidopsis frön
    1. Häll frön (40-50 mg) i 1,5 ml centrifugrör. (Se figur 1 för lämplig utsädesmängden, ~ 50 l). Märk varje rör med en penna (bläck kan blekna bort under sterilisering). Placera varje märkt rör, mössa öppet, i en torkapparat 13.
    2. Placera exsickator i en aktiv dragskåp och stäng exsickatorn s ventil.
    3. Alikvotera 100 ml blekmedel (NaClO 6,15%) i en 250 ml bägare och sedan placera den i torkapparat.
    4. Snabbt tillsätt 3 ml 12 M klorvätesyra till blekmedlet med hjälp av en pipett. Snabbt stänga locket på exsickator som reaktionen fortskrider snabbt. Tillåta sterilisering för att fortskrida under 4 h (markering ett rör med bläck och ser bläcket blekna bort hjälper till att visualisera att en tillräcklig mängd av klorgas har genererats).
      VARNING: Klorgas är giftig; handtagresthalter med extra säkerhetsåtgärder i en funktionell dragskåp. Kontakta lokala myndigheter eller besök webbsidan för Environmental Health and Safety Department - University of Missouri (ESH-MU) 14 för kemikaliesäkerhet och riktlinjer för att använda ett dragskåp: https://ehs.missouri.edu/chem/.
    5. Femton minuter före sterilisering är fullständig (3,75 tim), slå på en huv med laminärt flöde och rengör ytan med användning av 70% etanol.
    6. Efter 4 h av sterilisering öppna ventilen, kortvarigt avlägsna locket på exsickator insidan av dragskåp, ta bort blekmedel, och kassera den enligt institutionella förfarandena. Detta steg kommer att släppa en stor del av klorångor. Täta steriliseringskammaren och föra den till laminärt flöde huva. Öppna locket brett och lufta de steriliserade fröna för cirka 40 minuter. Efter denna tid, använd fröna omedelbart eller förvara på en torr plats.
      Obs: Vapor-fas sterilisering av frön rekommenderas men andra metoder such som alternativa tvättar med etanol, blekmedel och vatten såsom beskrivits i Alatorre-Cobos et al. 2 är lika effektiva.
  2. Odlingsmedier för utsäde grobarhet
    Obs! Odlingsmedier som framställts på detta steg är ¼ Murashige och Skoog (MS) med vitaminer 15.
    1. Tillsätt 450 ml avjoniserat vatten (DI vatten), 0,55 g MS-medium plus vitaminer, 0,3 g MES (4-morfolinetansulfonsyra-hydrat), och en magnetisk omrörarstav i en 1 liters glasbägare.
    2. Lös och justera pH till 5,7 med användning av NaOH och sedan lägga till 3,5 g phytoagar. Hålla omrörning av lösningen under ytterligare 5 minuter.
    3. Häll hela lösningen i en graderad cylinder och tillsätt DI-vatten upp till 500 ml. Autoklavera denna 500 ml lösning, med magnetisk omrörarstav inuti, med användning av en 1 L autoklaverbar flaska.
    4. Efter det att lösningen har autoklaveras, rör om lösningen under 7-10 min med användning av den magnetiska omröraren i flaskan.
    5. Efter det att mediet har svalnattill 50-60 ° C, häll den i material i plattorna under sterila betingelser och låt det stelna. Plattorna kan lagras för senare användning i det kalla rummet.
  3. frö plätering
    1. Slå på huv med laminärt flöde 15 min före användning och rengör ytan med 70% etanol. Följande objekt krävs: sterila frön, filterpapper, tandpetare, mikroporer tejp och ¼ MS tallrikar.
    2. Placera sterila fröna på ett sterilt filterpapper. Något vått en ände av en steril tandpetare (med sterilt vatten eller genom att peta den ¼ MS-medium). Använd denna återfuktad slut plocka frön från filterpapper och sedan lägga dem på mediets yta.
    3. Sprida fröna över plattan vid en densitet av ca 1 frö per cm 2 (Figur 2). Använd sedan mikroporer tejp för att hålla plattan locket fäst vid plattkroppen. Denna typ av band hjälper till att förhindra kontaminering samtidigt som man tillåter gasutbyte mellan luften och mikroklimatet inside plattan.
    4. Innan groning, stratify frön genom att hålla plattorna två dagar i kylrummet täckt från ljus.
    5. Efter stratifiering, placera frön i en tillväxtkammare eller på en plats med optimala tillväxtbetingelser (23 ° C, 16 timmar ljus / 8 timmar mörker och 60% relativ fuktighet för Arabidopsis). Plantor kommer att vara redo för hydro 10-12 dagar efter groning.
      Observera: Under groningen kan det finnas betydande kondensation under locket av plattan, för att förhindra drunkning, bör överskottsvattnet kastas bort under sterila förhållanden i ett dragskåp med laminärt flöde.

2. Hydro Setup och transplantationsprocessen

  1. hydroponiska lösningen
    Obs: Som nämnts i inledningen, kan växter har särskilda näringsbehov Arabidopsis har framgångsrikt vuxit med näringslösningen som visas i tabell 1 16 Beroende på leverantörerna, den..salter som anges här kan ha olika vatteninnehåll (hydratiserad) och använda sådana alternativ påverkar inte egenskaperna hos näringslösningen så länge som molaritet hålls konstant.
    1. Framställa stamlösningar av varje makronäringsämne i olika flaskor (tabell 1) och alla mikronäringsämnen utom Fe-EDTA i en steril flaska (sterilisera genom filtrering med användning av 0,22 | im membran). Tillsätt alltid Fe-EDTA äntligen vid blandning av lösningen. Förbered en 10x näringslösning före experimentet men autoklav och lagra vid 4 ° C. Använda eller ändra de näringsämnen endast när näringslösningen har rumstemperatur.
  2. omplantering
    1. Förbered växthållare och hydroponiska behållare
      1. Gör ett snitt i skummet, som löper längs dess längd med ett rakblad (se figur 3). Förbered en plugg per planta.
      2. Vätske autoklav skum rör pluggar indränkt i DI vatten. </ Li>
      3. Skär skumpanelen i mindre skivor, och se till att bredden och längden på skumskivor är 0,5-1,0 cm mindre än storleken på behållaren (se figur 4).
      4. Använda en korkborr för att skapa hål på skumskivan. Densiteten av växterna bör vara jämnt fördelade, idealt en planta per 10 cm 2. Denna densitet kommer att hålla växter prydligt åtskilda från varandra; högre densiteter är dock möjligt och kommer inte att hindra framgång experimenten. Se till att storleken på hålen matchar storleken av pluggarna (se Figur 4).
      5. Fylla behållarna med näringslösningen. Se till att djupet hos lösningen är tillräckligt för rotutveckling (minst 5 cm). Sedan försiktigt placera skumskivor på lösningens yta.
      6. Ställa in luftpumpsystem för att tillhandahålla syre i lösningen (se figur 5).
        Obs: Fyll i hydroponiska behållare med näringslösning SAMe dag plantor transplanteras. Omfattar sidorna av behållaren från ljus hjälper till att förhindra algtillväxt.
    2. Plantor överföring från plattor till hydroponiska system
      1. Använd små pincett för att försiktigt dra varje planta ur mediet plattan och lägg roten längs snittet av skum rörpluggen. plug noggrant skumröret håller plantan i skum ombord sedan placera styrelsen tillbaka till hydroponiska behållare. Se figur 6 för lämplig manipulation.

3. Hydroponiska Experiment

  1. Näringslösning utbyte och manipulering
    1. Näringslösning Ersättning
      1. För att byta ut näringslösning, förbereda färsk hydroponiska lösning som beskrivs i steg 2,1. Ta bort skumskiva som innehåller växter från hydro behållaren och placera den i en tillfällig behållare fylld medvatten eller hydroponiska lösningen.
      2. Kasta den gamla lösningen, skölj behållaren snabbt tre gånger med avjoniserat vatten. Tillsätt nyberedd hydro lösning i denna behållare och försiktigt placera skum ombord med växter tillbaka in i hydroponiska behållare. Byt ut hydro lösning två gånger i veckan.
    2. Ändra närings sammansättningen av hydroponiska lösning
      1. Justera sammansättningen av den hydroponiska lösningen som visas i tabell 1 för att modifiera den slutliga koncentrationen av ett element av intresse. Till exempel, för att framkalla järn (Fe) brist, ändra hydroponiska lösning för att minska koncentrationen av Fe-EDTA. Innehåller en uppsättning av kontroll växter som odlas på full (eller fylld) hydro lösning, utan några ändringar, för jämförelse.
      2. Att manipulera näringslösningen med en toxisk element, först förbereda en oberoende stamlösning av den önskade giftiga element, företrädesvis 1,000x koncentrerades. Använd enpipetten för att spika hydroponiska lösningen med den toxiska elementet vid den önskade slutkoncentrationen med hjälp av 1,000x koncentrerad förråds.
      3. Till exempel, för att göra 3 L av hydroponiska lösning innehållande 20 pM av kadmium, förbereda en 0,5 M CdCl2 lager, och tillsätt 120 pl av 0,5 M CdCl2 lager in i 3 L hydroponiska lösningen. Inkludera en kontrollgrupp av växter som odlas på hydro utan CdCl2 för jämförelse.
        VARNING: giftiga ämnen som kadmium, arsenik och bly är mycket farliga för människors hälsa och miljön. Vänligen kontakta lokala myndigheter eller besök webbsidan för EHS-MU (https://ehs.missouri.edu/train/chemical.html) 14 för miljö- och hälsosäkerhetsriktlinjer innan utför experiment.
  2. Instrument sterilisering för nästa experiment
    1. Eftersom nästan allt material som används för att framställa den hydroponiska inrättat kan varaåteranvändas, rengör de olika delarna med utspädd blekmedel (NaClO 0,6%).
    2. Efter sköljning med blekmedel, skölj allt material noggrant med avjoniserat vatten. Håll behållare, skumskivor och akvarium bubbla stenar på en torr plats för framtida bruk. Skum pluggar är redo för återanvändning efter avlägsnande av rötter och att autoklaveras.

Representative Results

I detta avsnitt, resultaten av två typer av experiment, med hjälp av hydroponiska system som beskrivs här, presenteras. I det första experimentet, var näringslösningen modifieras för erhållande av olika koncentrationer av zink. Vi ändrade också näringslösning genom att tillsätta icke-dödliga koncentrationer av giftiga elementet kadmium (Figur 7). I det andra experimentet använde vi induktivt kopplad plasma optisk emissions spektrometri (ICP-OES) 1 för att mäta den elementära sammansättningen av rötter och blad av växter som odlas i hydro lösning innehållande kadmium (Figur 8). Detta experiment illustrerar fördelarna med att erhålla rötter och blad separat.

experiment 1

Arabidopsis plantor (Col-0) odlades i hydroponiska system som beskrivs i protocol steg 1 och 2. Växter tilläts att växa under totalt 3 veckor innan den behandlades med olika zinkkoncentrationer (Figur 7A-B) eller en icke-dödlig koncentration för kadmium (Figur 7C). Sex dagar efter behandling, växter odlas vid höga zinkkoncentrationer (> 42 mikrometer) uppvisade försenad tillväxt på grund av Zn toxicitet, medan växter utan extra zink också lagt visar fördröjd tillväxt jämfört med växter som odlas med 7 iM Zn 2+. Figur 7 visar också minskning av skottillväxt, rottillväxt, och chlorotic blad symtom typiska växter utsätts för kadmium (figur 7C).

experiment 2

Col-0 plantor odlades såsom beskrivits i steg 1 och 2. Efter två veckor var den icke-modifierade (fylld) lösning ersattes med 80 ml av hydroponiska lösning innehållande 20 pM Cd. Efter 72 timmarss, var rot vävnader tvättas genom att överföra hela skumskivan med växter till ett nytt fartyg som innehåller 80 ml Tris 20 mM (pH 8,0) och 5 mM EDTA. Denna lösning kommer att ta bort tungmetaller bundna till ytan av roten. Plantor inkuberades i EDTA-innehållande lösningen på en roterande skakanordning under 5 minuter. EDTA-lösning ersattes sedan med 80 ml Dl-vatten och växter inkuberades på en roterande skakapparat under ytterligare 5 minuter. Detta sköljningssteg med DI-vatten upprepades två gånger. Efter sköljning plantorna med avjoniserat vatten, var blad och rot vävnader skördas självständigt och behandlas för ICP-OES 1. Figur 8 visar att den elementära sammansättningen av bladen skiljer sig från rötterna, där makronäringsämnen (Ca, K och Mg) i bladvävnad är närvarande i högre koncentration jämfört med rötter. Å andra sidan, är mikronäringsämnen såsom Zn och Fe företrädesvis ackumuleras i rötter. Koncentrationen av icke-väsentlig del kadmium befanns vara hi Gher i rötter jämfört med skott.

Figur 1
Figur 1. Vapor-fas sterilisering av Arabidopsis frön. (A) Mängd Arabidopsis frön per 1,5 ml centrifugrör. (B) Rör som innehåller frön med lock öppna i röret rack innehavaren redo för sterilisering, ett rör med en bläck märkt på locket ingår. (C) Sterilisering inrättas i en exsickator, lock och ventil stängd. (D) Bläck-märket på locket av ett rör i fröet steriliseringsprocessen med stark färg på bläck-märket före och efter sterilisering. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

filer / ftp_upload / 54317 / 54317fig2.jpg "/>
Figur 2. Seed plätering steg. (A) frön placeras på steriliserade papper innan plätering. En steriliserad tandpetare krävs också för detta steg. (B) något vått slutet av tandpetare med media eller vatten på den sida av mediet plattan. (C) Frön flyttas till ¼ MS-plattor. (D) En idealisk täthet av utsäde är ≈1 frö / cm2. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. Skum kontakten används för att hålla plantorna i näringslösningen. Ett snitt på hälften av skum rörpluggen hjälper håller plantan under transplantation från plattorna hydro.Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4. skum ombord beredning. (A) Kontrollera storleken på mall skum ombord med containern storlek innan förbereder skumskivor i stora mängder. Två små perforeringar som gjordes vid centrum av skumskivan gör det är lättare att hålla och hantera skummet med hjälp av pincett. (B- C) En korkborr används för att skapa hål på skumskivan. (D) Kontrollera rätt passform mellan skum rörpluggen och hål skapas på skum ombord. Klicka här för att se en större version av denna siffra.


Fig. 5. Luftpumpinställning för hydro experiment uppifrån-view (A) och sidovy (B) Siffrorna anger: 1 - pump tillför luft; 2 - plaströr förbinder luftpumpen med ventilsystemet för att styra luftflödet; 3 - ventilsystemet; 4 och 5 - plaströr förbinder ventilsystemet med bubbel stenar för luftning; 6 och 7 -. Bubbla stenar (säljs för akvarier) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 6
Figur 6. Överföra plantor till hydroponiska system. (A) Använd pincett för att ta en planta av mediet plattan. (B) Placera plant Root längs snittet på skum rörpluggen. (C) in skum rörpluggen i skum ombord. (D) En färdig skum ombord miljö med plantor redo att släppas ut på näringslösningen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 7
Figur 7. Närings lösningar kan modifieras för att testa brist eller toxiska effekter av elementen 4 veckor gamla hydroponically vuxit Arabidopsis 6 dagar efter behandling. (AB) växter som odlas med 0, 7, 14, 21, 28, 35, 42, och 50 pM av Zn. Växter som odlas på höga Zn koncentrationer (> 42 ^ M) visar försenad tillväxt (toxicitet) medan växter utan Zn också lagt visar försenad tillväxt (näringsbrist) jämfört med växter som odlas med 7 iM Zn 2+. (C) Växter som odlas i frånvaro (vänster) eller närvaro av 20 ^ M Cd i näringslösning (bilden togs efter 6 dagars Cd exponering). Kadmiumexponering inducerar kloros och minskar tillväxten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8
Figur 8. Elementar sammansättningen av rötter och skott från växter som odlas hydroponically. Skott innehåller mer makro (Ca, K, Mg) jämfört med rötter medan de väsentliga mikronäringsämnen zink och järn är mer koncentrerade i rötter. På liknande sätt icke-väsentlig del kadmium företrädesvis ackumuleras i rötter. Felstaplar representerar de 95% konfidensintervall (n = 14, skott och n = 9, rötter)._upload / 54317 / 54317fig8large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Typ av näringsämne Salt / Reagens Koncentration i hydroponiska lösning Enhet
makronäringsämne KNO3 1,250 mM
makronäringsämne KH 2 PO 4 0,625 mM
makronäringsämne MgSO 4 0,500 mM
makronäringsämne Ca (NO3) 2 0,500 mM
mikronäringsämnen H 3 BO 3 17,500 iM
mikronäringsämnen MnCl2 5,500 iM mikronäringsämnen ZnSO 4 0,500 iM
mikronäringsämnen Na 2 MoO 4 0,062 iM
mikronäringsämnen NaCl 2 2,500 iM
mikronäringsämnen CoCl2 0,004 iM
mikronäringsämnen FeEDTA 12,500 iM

Tabell 1. Effektiv koncentration av näringsämnen i hydroponiska lösning.

Discussion

Hälsan hos plantor som används för hydro är en av de viktigaste faktorerna som bidrar till framgång för en hydroponiska experiment. Sterilisering av instrument, frön och odlingsmedier spelar också en viktig roll för att minska risken för kontaminering och ger en bra start för växterna innan de transplanteras in i hydroponiska system. En arbetsmiljö med faciliteter såsom en autoklav, dragskåp, kallt rum (4 ° C), och tillväxtutrymme med kontrollerade förhållanden (ljusintensitet och temperatur) är nödvändigt för en god experimentell inrättas.

Färskhet näringslösningen bestämmer också växtskydds- och i sin tur avgör framgången för en hydroponiska experiment. Eftersom vatten avdunstar snabbare under direkt belysning, kommer koncentrationen av salter ändras på grund av en minskning av den totala lösningsvolymen; därför är det bäst att ändra hydroponiska lösningen minst två gånger i veckan. Men om stora, djupa behållareutrustade med ett luftpumpsystem användes, kan det inte vara nödvändigt att ersätta näringslösningen för experiment som är korta i varaktighet. Observera att vi i fallet Arabidopsis användas Magenta fartyg (77 mm bredd x 77 mm längd x 97 mm höjd) men andra, större behållare kan också användas för att rymma större anläggningar.

För forskare som är intresserade av växtnäring, hydro experiment ger en unik miljö för att testa växt fenotyper och svar på olika näringsämnen tillgänglighet 17. Genom att manipulera koncentrationerna av elementen av intresse, kan forskarna ställa in olika experiment för att testa effekterna av tillräcklighet, brist, eller giftiga koncentrationer av essentiella och icke-essentiella näringsämnen. Jämfört med den jordbaserade systemet tillhandahåller hydroponiska system en homogenare näringsmedium till växterna med mindre risk för jordburna sjukdomar. Dessutom kan både rot- och skottvävnader skördas och separeras lättför ytterligare analyser om specifika växtvävnader.

I den representativa delen introducerade vi två exempel där en enkel hydroponiska system användes för mer detaljerade studier på växtnäring. I det första exemplet, genom att odla växter på en zink koncentrationsgradient, kunde vi att illustrera nivån av kontroll som kan åstadkommas på näringssammansättning med hjälp av denna hydroponiska system. Växter som odlas med 7 iM Zn växte mycket mer kraftfullt än växter som odlas i 50 iM Zn, medan växter som odlas utan extra Zn tillsatt var hämmad jämfört med växter som odlas med 7 iM Zn. Detta berodde delvis på grund av att den tid plantorna fick växa under tillräckliga betingelser; tidigare avlägsnande av Zn från media är sannolikt att framkalla starkare zink-brist symptom. Tillämpning av samma princip kunde vi inducera toxicitet med användning av den icke-essentiella metall, kadmium, som är känd för att försämra växternas tillväxt.

I den andraExempelvis var den elementära sammansättningen av Col-0 rötter och skott behandlades med 20 ^ M Cd för 72 timmar bestämdes med ICP-OES. Vi hittade skillnader i alla upptäckta metaller mellan rötter och skott. Makro element hittades i högre koncentrationer i skotten i förhållande till rötterna, medan järn och zink påträffades rikligare i rötter. Kadmium följde ett liknande mönster som järn och zink, som är mer koncentrerad i rötter jämfört med skott. Dessa data förstärker tanken att blad och rötter ger olika information om ionome anläggningens status och därför båda vävnader måste analyseras separat för att förstå mineral näring och sammansättningen på hela anläggningsnivå. Förutom ICP-OES flera spektroskopiska metoder såsom Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) eller induktivt kopplad plasma-masspektrometri (ICP-MS) kan även användas för att mäta den elementära sammansättningen (ionome) av växtvävnader 18-20.

I en hydroponic experiment, symptom och fenotyper av växter som svarar mot olika näringsförhållanden utgör början på vad som skulle kunna utvidgas till mer utarbetade analyser såsom genuttryck (transkriptomik) och protein överflöd (proteomik). Dessa -omic tekniker är nycklar för att integrera växt metabolism genom att överväga processer i ett vävnadsspecifikt sätt.

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