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Hydroponique: un système polyvalent pour étudier et répartition des plantes Réponses des éléments nutritifs à la disponibilité des éléments nutritifs et l'exposition aux éléments toxiques

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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).

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Abstract

systèmes hydroponiques ont été utilisés comme l'une des méthodes standards pour la recherche en biologie végétale et sont également utilisés dans la production commerciale pour plusieurs cultures, y compris la laitue et la tomate. Au sein de la communauté de recherche sur les plantes, de nombreux systèmes hydroponiques ont été conçus pour étudier les réponses des plantes aux stress biotiques et abiotiques. Nous présentons ici un protocole hydroponique qui peut être facilement mis en œuvre dans les laboratoires intéressés à poursuivre des études sur la nutrition minérale des plantes.

Ce protocole décrit le système hydroponique mis en place dans le détail et la préparation du matériel végétal pour des expériences réussies. La plupart des matériaux décrits dans ce protocole peuvent être trouvés en dehors des entreprises de fournitures scientifiques, ce qui rend la mise en place pour des expériences hydroponiques moins cher et pratique.

L'utilisation d'un système de culture hydroponique est la plus avantageuse dans des situations où les milieux nutritifs doivent être bien contrôlés et quand ro intacteOTS doivent être récoltées pour des applications en aval. Nous démontrons également comment les concentrations en éléments nutritifs peut être modifié pour induire des réponses des plantes à la fois les éléments nutritifs essentiels et des éléments non essentiels toxiques.

Introduction

Les plantes sont parmi les quelques organismes qui peuvent synthétiser tous les métabolites nécessaires à partir des ions inorganiques, de l' eau et de CO 2 à l' aide de l'énergie captée du soleil 1. La culture hydroponique est une méthode de culture de plantes qui tire profit de ce fait en fournissant tous les éléments nutritifs, dans leur forme inorganique, dans une solution liquide avec ou sans support solide. Systèmes hydroponiques ont été largement utilisés par les scientifiques pour explorer les besoins en nutriments et aussi la toxicité de certains éléments dans Arabidopsis et d' autres espèces végétales 2-5. Par exemple, Berezin et al. 3, Conn et al. 4, et Alatorre-Cobos et al. 2 utilisé les systèmes hydroponiques et plusieurs espèces de plantes , y compris la tomate et le tabac, pour produire de la biomasse végétale suffisante pour l' analyse minérale 2-4. Les applications industrielles de la culture hydroponique ont également été mis au point pour les cultures comme la tomate et la laitue 6. Ici, nous oPERÇU l'utilisation de la culture hydroponique dans le contexte de la recherche, les variations possibles des méthodes disponibles, et enfin présenter un système qui peut être facilement évolutive et utile pour les laboratoires de recherche intéressés à étudier la nutrition minérale des plantes.

Systèmes hydroponiques permettent une séparation facile des tissus des racines et un contrôle précis de la disponibilité des éléments nutritifs

Hydroponique offre plusieurs avantages par rapport aux systèmes à base de sol. Lorsqu'ils sont retirés du sol, les tissus des racines est souvent cisaillé mécaniquement causant la perte de tissu ou de dommages. Cela est particulièrement vrai pour les structures profondes fines telles que les racines latérales et des poils racinaires. systèmes hydroponiques qui n'utilisent pas un média inerte en particules permettent une séparation moins invasive de la racine et de tirer les tissus.

Dans les sols, les modifications de la biodisponibilité des nutriments à travers la matrice du sol en tant que nutriments se lient aux particules du sol en créant des micro-environnements à l'intérieur du sol. Cet heterogeneity pourrait ajouter un niveau supplémentaire de complexité dans les expériences qui ont besoin d'un contrôle précis de la concentration externe de nutriments ou d'autres molécules. En revanche, la solution hydroponique est homogène et peut être facilement remplacé tout au long de l'expérience.

Des variantes de systèmes hydroponiques

Toutes les cultures hydroponiques reposent sur une solution nutritive pour fournir des éléments essentiels à la plante. En plus des éléments nutritifs, les racines doivent également un approvisionnement régulier en oxygène. Lorsque les racines deviennent anoxique ils sont incapables de prendre et de métabolites de transport pour le reste du corps de la plante 7. systèmes hydroponiques peuvent être classés en fonction de la façon dont ils fournissent de l'oxygène et d'autres nutriments aux racines: l'apport d'oxygène en saturant la solution avec de l'air (hydroponique classique), en ne submergeant les racines en tout temps, ou en permettant aux racines d'être complètement exposés à l'air (aéroponique) 8. En hydroponie,la solution nutritive peut être saturée avec de l' air avant son utilisation et change fréquemment, ou l' air peut être alimenté en continu dans la solution au cours du cycle de vie de l'installation 9. En variante, les plantes peuvent aussi être cultivées sur un milieu inerte (par exemple de granulés, de laine minérale, de la vermiculite ou de l' argile) et soumis à des cycles humide-sèche la solution par égouttage à travers la presse ou de façon périodique immergeant le substrat dans la solution nutritive 10. Dans aéroponique, les racines sont pulvérisées avec la solution nutritive pour éviter la dessiccation.

Inconvénients des systèmes hydroponiques

Bien que les cultures hydroponiques offrent des avantages évidents par rapport aux systèmes à base de sol, il y a quelques considérations qui doivent être reconnues lors de l'interprétation des données. Par exemple, les systèmes hydroponiques exposent des plantes à des conditions qui peuvent être considérées comme non-physiologique. Par conséquent, les phénotypes ou les réponses des plantes détectées en utilisant les systèmes hydroponiques peuvent varier en amplitude when plantes sont cultivées dans des systèmes alternatifs (par exemple, le sol ou les médias à base d' agar-). Ces considérations ne sont pas uniques pour les systèmes hydroponiques; réponses différentielles peuvent également être observés si les plantes sont cultivées dans différents types de sol 11,12.

Le protocole suivant fournit étape par étape sur la façon de mettre en place un système hydroponique dans un laboratoire. Ce protocole a été optimisé pour Arabidopsis thaliana (Arabidopsis); Cependant, même dans certains cas, des mesures identiques peuvent être utilisés pour cultiver d'autres espèces.

Protocol

1. Semis Nursery

  1. En phase vapeur stérilisation des graines d' Arabidopsis
    1. Versez les graines (40-50 mg) dans 1,5 ml des tubes de centrifugeuse. (Voir la Figure 1 pour le volume de semences appropriées, ~ 50 pi). Etiqueter chaque tube avec un crayon (encre peut disparaître lors de la stérilisation). Placez chaque tube étiqueté, capuchon ouvert, dans un dessiccateur 13.
    2. Placez le dessiccateur dans une hotte active et fermer la valve du dessiccateur.
    3. Aliquoter 100 ml d'eau de Javel (NaClO 6,15%) dans un bécher de 250 ml, puis placez-le dans le dessiccateur.
    4. Rapidement ajouter 3 ml d'acide chlorhydrique 12 M à l'eau de Javel à l'aide d'une pipette de transfert. fermer rapidement le couvercle du dessiccateur que la réaction se déroule rapidement. Laisser la stérilisation de procéder pendant 4 heures (marquage d'un tube avec de l'encre et de voir l'encre disparaître permet de visualiser qu'une quantité suffisante de gaz de chlore a été généré).
      ATTENTION: Le gaz de chlore est toxique; manipulerses résidus avec des précautions de sécurité supplémentaires dans une hotte fonctionnelle. Contactez les autorités locales ou visitez la page Web de la santé environnementale et de la Sécurité - Université du Missouri (ESH-MU) 14 pour la sécurité et des lignes directrices pour l' utilisation de produits chimiques une hotte: https://ehs.missouri.edu/chem/.
    5. Quinze minutes avant la stérilisation est terminée (3,75 h), allumer une hotte à flux laminaire et nettoyer la surface en utilisant 70% d'éthanol.
    6. Après 4 h de stérilisation ouvrir la vanne, retirez brièvement le couvercle du dessiccateur intérieur de la hotte, enlever l'eau de Javel, et la disposer selon les procédures institutionnelles. Cette étape va libérer une grande partie des vapeurs de chlore. Sceller la chambre de stérilisation et l'amener à la hotte à flux laminaire. Ouvrez le couvercle largement et aérer les graines stérilisées pendant environ 40 min. Après cette période, utilisez les graines immédiatement ou stocker dans un endroit sec.
      Remarque: en phase vapeur stérilisation des semences est recommandée, mais d'autres méthodes such comme alternatives lavages avec de l' éthanol, l' eau de Javel et de l' eau comme décrit dans Alatorre-Cobos et al. 2 sont tout aussi efficaces.
  2. Les milieux de culture pour les graines germination
    Remarque: Les milieux de culture préparé dans cette étape est ¼ Murashige et Skoog (MS) avec des vitamines 15.
    1. Ajouter 450 ml d'eau déminéralisée (eau DI), 0,55 g milieu MS ainsi que des vitamines, 0,3 g MES (d'hydrate d'acide 4-morpholineethanesulfonic), et une barre d'agitation magnétique dans un bécher de 1 L de verre.
    2. Dissoudre et ajuster le pH à 5,7 en utilisant du NaOH, puis ajouter 3,5 g phytoagar. Gardez en remuant la solution pendant 5 minutes.
    3. Verser toute la solution dans un cylindre gradué et ajoutez DI eau jusqu'à 500 ml. Autoclave cette solution 500 ml, avec la barre d'agitation magnétique à l'intérieur, en utilisant une bouteille de 1 L autoclavable.
    4. Après que la solution a été autoclavé, agiter la solution pour 7-10 min à l'aide de l'agitateur magnétique dans la bouteille.
    5. Après que les médias ont refroidià 50-60 ° C, verser les médias en plaques dans des conditions stériles et laisser solidifier. Les plaques peuvent être stockées pour une utilisation ultérieure dans la chambre froide.
  3. Graine de placage
    1. Allumez le hotte à flux laminaire 15 min avant de les utiliser et de nettoyer la surface avec 70% d'éthanol. Les éléments suivants sont requis: semences stériles, papier filtre, des cure-dents, bande de micropores et plaques ¼ MS.
    2. Placez les graines stériles sur un papier filtre stérile. Légèrement humide une extrémité d'un cure-dent stérile (avec de l'eau stérile ou en poussant les médias ¼ MS). Utilisez cette fin hydratées pour ramasser les graines du papier filtre puis les déposer sur la surface du support.
    3. Etaler les semences à travers la plaque à une densité d'environ 1 graine par cm 2 (Figure 2). Ensuite, utiliser du ruban adhésif microporeux pour maintenir le couvercle de plaque attachée au corps de plaque. Ce type de bande aide à prévenir la contamination, tout en permettant les échanges gazeux entre l'air et le microclimat inside la plaque.
    4. Avant la germination, les graines de stratifier en gardant les plaques deux jours dans la chambre froide couvert de la lumière.
    5. Après la stratification, placez les graines dans une chambre de croissance ou dans un endroit avec des conditions optimales de croissance (23 ° C, 16 heures de lumière / 8 h obscurité et 60% d' humidité relative pour Arabidopsis). Les plantules seront prêts pour la culture hydroponique 10-12 jours après la germination.
      Note: Pendant la germination, il est peut-être importante condensation sous le couvercle de la plaque, afin de prévenir la noyade, l'excès d'eau doit être jeté dans des conditions stériles dans une hotte à flux laminaire.

2. processus d'installation et de transplantation hydroponique

  1. solution hydroponique
    Remarque: Comme indiqué dans l'introduction, les plantes peuvent avoir des besoins nutritionnels spécifiques d' Arabidopsis a été cultivé avec succès avec la solution nutritive indiqué dans le tableau 1 16 Selon les fournisseurs, le..les sels énumérés ici peuvent avoir une teneur en eau différente (hydraté) et en utilisant ces solutions ne modifie pas les propriétés de la solution nutritive, aussi longtemps que la molarité est maintenue constante.
    1. Préparer les solutions mères de chaque macronutriments dans différentes bouteilles (tableau 1) et tous les micronutriments , à l' exception de Fe-EDTA dans un flacon stérile (stérilisation par filtration à l' aide de 0,22 um membranes). Toujours ajouter Fe-EDTA au dernier lors du mélange de la solution. Préparer une solution 10x nutritive à l'avance de l'expérience, mais autoclave et conserver à 4 ° C. Utiliser ou modifier les nutriments uniquement lorsque la solution nutritive a atteint la température ambiante.
  2. Transplantation
    1. Préparer support des plantes et des conteneurs hydroponiques
      1. Faire une incision dans la mousse, courir le long de sa longueur à l' aide d' une lame de rasoir (voir Figure 3). Préparer un bouchon par plante.
      2. bouchons de tubes de mousse liquide autoclave trempées dans l'eau DI. </ Li>
      3. Couper le panneau de mousse dans des cartes plus petites, en vous assurant que la largeur et la longueur des panneaux en mousse sont 0,5-1,0 cm de moins que la taille du récipient (voir la figure 4).
      4. Utilisez un perce-bouchon pour créer des trous sur le panneau de mousse. La densité des plantes doit être uniformément répartie, idéalement 1 plante par 10 cm 2. Cette densité permet de garder les plantes soigneusement séparés les uns des autres; des densités plus élevées sont cependant possibles et ne fait pas obstacle au succès des expériences. Assurez - vous que la taille des trous correspond à la taille des bouchons (voir Figure 4).
      5. Remplissez les récipients avec la solution nutritive. Assurez-vous que la profondeur de la solution est suffisante pour le développement des racines (au moins 5 cm). Ensuite, placez soigneusement les panneaux en mousse sur la surface de la solution.
      6. Mettre en place le système de pompe à air pour fournir de l' oxygène dans la solution (voir figure 5).
        Remarque: Remplir le réservoir hydroponique avec une solution nutritive du same semis de jour sont transplantées. Couvrant les côtés du récipient de la lumière aidera à prévenir la croissance des algues.
    2. Le transfert de la plantule à partir de plaques de système hydroponique
      1. Utilisez de petites pinces pour tirer doucement chaque plant de la plaque de milieu et de jeter la racine le long de l'incision du bouchon de tube de mousse. Branchez soigneusement le tube de mousse de maintien de la plantule dans le panneau de mousse puis placez la carte vers le conteneur hydroponique. Voir la figure 6 pour une manipulation appropriée.

3. Expériences hydroponiques

  1. Remplacement de la solution nutritive et la manipulation
    1. Remplacement de la solution nutritive
      1. Pour remplacer la solution nutritive, préparer la solution hydroponique frais comme décrit dans l'étape 2.1. Retirez le panneau de mousse contenant des plantes du récipient hydroponique et le placer dans un récipient rempli de temporairel'eau ou d'une solution hydroponique.
      2. Jeter l'ancienne solution, rincer le récipient brièvement trois fois avec de l'eau DI. Ajouter la solution hydroponique fraîchement préparée dans ce récipient et placez doucement le panneau de mousse avec des plantes dans le récipient hydroponique. Remplacer la solution hydroponique deux fois par semaine.
    2. Modification de la composition nutritive de la solution hydroponique
      1. Ajuster la composition de la solution hydroponique indiqué dans le tableau 1 pour modifier la concentration finale d'un élément d'intérêt. Par exemple, pour induire le fer (Fe), la carence, modifier la solution hydroponique pour diminuer la concentration de Fe-EDTA. Inclure un ensemble de plantes témoins cultivées sur une solution complète (ou remplie) hydroponique, sans aucune modification, à titre de comparaison.
      2. Pour manipuler la solution nutritive avec un élément toxique, d'abord préparer une solution mère indépendante de l'élément toxique désiré, de préférence 1,000x concentré. Utiliser unpipette à pic la solution hydroponique avec l'élément toxique à la concentration finale désirée en utilisant le stock concentré 1,000x.
      3. Par exemple, dans le but de faire 3 L de solution hydroponique contenant 20 pM de cadmium, préparer un 0,5 M CdCl2 boursier, et ajouter 120 pi de 0,5 M CdCl2 disponible dans la solution hydroponique 3 L. Inclure un ensemble de plantes cultivées sur hydroponique sans CdCl 2 pour la comparaison de contrôle.
        ATTENTION: Les éléments toxiques tels que le cadmium, l'arsenic et le plomb sont très dangereux pour la santé humaine et l'environnement. S'il vous plaît contacter les autorités locales ou visitez la page Web de l'EHS-MU (https://ehs.missouri.edu/train/chemical.html) 14 des lignes directrices environnementales et sanitaires de sécurité avant de mener des expériences.
  2. La stérilisation de l' instrument pour les expériences suivantes
    1. Comme presque tout le matériel utilisé pour préparer le hydroponique mis en place peut êtreréutilisés, nettoyer les différentes parties avec l'eau de Javel diluée (NaClO 0,6%).
    2. Après rinçage à l'eau de Javel, rincer tous les matériaux avec de l'eau DI. Conserver les récipients, des panneaux en mousse et des pierres d'aquarium à bulles dans un endroit sec pour une utilisation future. bouchons en mousse sont prêts à être réutilisés après avoir enlevé les racines et en autoclave.

Representative Results

Dans cette section, les résultats des deux types d'expériences, en utilisant le système hydroponique décrit ici, sont présentés. Dans la première expérience, la solution nutritive a été modifiée pour obtenir différentes concentrations de zinc. Nous avons également modifié la solution nutritive en ajoutant des concentrations non létales de l'élément toxique de cadmium (figure 7). Dans la deuxième expérience, nous avons utilisé plasma à couplage inductif optique spectrométrie d' émission (ICP-OES) 1 pour mesurer la composition élémentaire des racines et des feuilles de plantes cultivées dans la solution contenant du cadmium hydroponique (figure 8). Cette expérience illustre les avantages de l'obtention de racines et les feuilles séparément.

expérience 1

Semis d'Arabidopsis (Col-0) ont été cultivées dans le système hydroponique décrit dans le protocole étapes 1 et 2. Les plantes ont été laissées se développer pendant un total de 3 semaines avant d' être traitées avec différentes concentrations de zinc (figure 7A-B) , ou une concentration non létale de cadmium (figure 7C). Six jours après le traitement, les plantes cultivées à des concentrations élevées de zinc (> 42 uM) ont révélé un retard de croissance en raison de Zn toxicité, tandis que les plantes sans zinc supplémentaire ajoutée témoignent également retardé la croissance par rapport aux plantes cultivées avec 7 uM Zn 2+. Figure 7 montre également la réduction de la croissance des pousses, la croissance des racines et des feuilles chlorotiques symptômes typiques des plantes exposées au cadmium (Figure 7C).

expérience 2

Col-0 plantes ont été cultivées comme décrit dans les étapes 1 et 2. Au bout de deux semaines, le (rempli) une solution non modifié a été remplacé par 80 ml de solution hydroponique contenant 20 uM de Cd. Après 72 heuress, les tissus des racines ont été lavées en transférant l'ensemble panneau de mousse avec des plantes dans un nouveau récipient contenant 80 ml de Tris 20 mM (pH 8,0) et EDTA 5 mM. Cette solution élimine les métaux lourds liés à la surface de la racine. Les plantes ont été mises en incubation dans la solution contenant de l'EDTA sur un agitateur rotatif pendant 5 minutes. une solution d'EDTA a ensuite été remplacé par 80 ml d'eau déminéralisée et les plantes ont été incubées sur un agitateur rotatif pendant un temps supplémentaire de 5 minutes. Cette étape de rinçage à l'eau DI a été répétée deux fois. Après rinçage des plantes avec de l' eau DI, tissus des feuilles et des racines ont été récoltées de façon indépendante et traitées pour l' ICP-OES 1. La figure 8 montre que la composition élémentaire des feuilles est différente de racines, où les macronutriments (Ca, K et Mg) dans le tissu foliaire sont présents en concentration plus élevée par rapport aux racines. D'autre part, les oligo-éléments tels que le Zn et Fe sont de préférence accumulées dans les racines. La concentration en cadmium de l'élément non essentiel a été jugée salut gher dans les racines par rapport à des pousses.

Figure 1
Figure 1. en phase vapeur stérilisation des graines d' Arabidopsis. (A) Montant des graines d' Arabidopsis par 1,5 ml des tubes de centrifugeuse. (B) Les tubes contenant les semences avec des bouchons ouvertes dans le porte-support de tubes prêts pour la stérilisation, un tube avec une encre marquée sur le bouchon est inclus. (C) Stérilisation mis en place dans un dessiccateur, le couvercle et vanne fermée. (D) L'encre marque sur le couvercle d'un tube inclus dans le processus de stérilisation des semences avec une forte couleur d'encre marque avant et après la stérilisation. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Figure 2. Seed placage étape. (A) Les graines sont placées sur le papier stérilisée avant l' ensemencement. Un cure-dent stérilisé est également nécessaire pour cette étape. (B) légèrement humide la fin de la cure - dent avec les médias ou de l' eau sur le côté de la plaque support. (C) Les semences sont déplacés à ¼ plaques MS. (D) Une densité idéale de graines est ≈1 graines / cm 2. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3. bouchon de mousse utilisé pour contenir des plants en solution nutritive. Une incision sur la moitié du bouchon de tube en mousse contribue à maintenir le jeune plant lors de la transplantation des plaques de culture hydroponique.S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4. Mousse de préparation du conseil d'administration. (A) Vérifiez la taille de la mousse modèle planche avec la taille du conteneur avant de préparer des panneaux en mousse en grandes quantités. Deux petites perforations réalisées au centre de la planche de mousse font qu'il est plus facile à tenir et à manipuler la mousse en utilisant une pince à épiler. (B- C) Un perce-bouchon est utilisé pour créer des trous sur le panneau de mousse. (D) Vérifiez le bon ajustement entre le bouchon et les trous du tube de mousse créée sur la planche en mousse. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.


. Figure réglage 5. Air-pompe pour l' expérience hydroponique de haut-vue (A) et vue latérale (B) Les chiffres indiquent: 1 - pompe fournissant de l' air; 2 - tubes en plastique reliant la pompe à air avec le système de valve pour contrôler l'écoulement d'air; 3 - le système de vanne; 4 et 5 - un tube en plastique reliant le système de vannes avec des pierres à bulles pour l'aération; 6 et 7 -. Pierres à bulles (vendues pour les aquariums) S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6
Figure 6. Transfert des plants au système hydroponique. (A) Utilisez des pinces pour prendre un semis de la plaque support. (B) Placez le roo de semisT le long de l'incision sur le bouchon de tube en mousse. (C) Insérez le bouchon de tube de mousse dans le panneau de mousse. (D) A complété la mousse configuration de la carte avec des plants prêts à être mis sur la solution nutritive. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 7
Figure 7. Les solutions nutritives peuvent être modifiées pour tester la carence ou les effets toxiques des 4 éléments week-old hydroponique cultivé Arabidopsis 6 jours après le traitement. (AB) des plantes cultivées avec 0, 7, 14, 21, 28, 35, 42 et 50 uM de Zn. Les plantes cultivées à des concentrations élevées de Zn (> 42 pM) montrent un retard de croissance (toxicité) tandis que les plantes sans Zn ajoutées témoignent également d'une croissance retardée (carence en éléments nutritifs) par rapport aux plantes cultivées avec 7 pM de Zn 2+. (C) Les plantes cultivées en l'absence ( à gauche) ou en présence de 20 uM de Cd dans la solution nutritive (photo a été prise après 6 jours d'exposition Cd). L' exposition au cadmium provoque une chlorose et réduit la croissance. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 8
Figure 8. La composition élémentaire des racines et des pousses de plantes cultivées en hydroponie. Shoots contiennent plus de macronutriments (Ca, K, Mg) par rapport aux racines tandis que les micronutriments essentiels zinc et le fer sont plus concentrés dans les racines. De même l'élément cadmium non essentiel est préférentiellement accumulé dans les racines. Les barres d'erreur représentent les intervalles de 95% de confiance (n = 14, les pousses et n = 9, racines)._upload / 54317 / 54317fig8large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Type d'éléments nutritifs Sel / Réactif Concentration en solution hydroponique Unité
macronutriments KNO 3 1.250 mM
macronutriments KH 2 PO 4 0,625 mM
macronutriments MgSO4 0,500 mM
macronutriments Ca (NO 3) 2 0,500 mM
Micronutrient H 3 BO 3 17.500 iM
Micronutrient MnCl2 5.500 iM Micronutrient ZnSO 4 0,500 iM
Micronutrient Na 2 MoO 4 0,062 iM
Micronutrient NaCl 2 2.500 iM
Micronutrient CoCl 2 0,004 iM
Micronutrient FeEDTA 12.500 iM

Tableau 1. Concentration efficace des éléments nutritifs dans la solution hydroponique.

Discussion

La santé des plants utilisés pour la culture hydroponique est l'un des principaux facteurs qui contribuent à la réussite d'une expérience hydroponique. Stérilisation des instruments, des semences et des milieux de culture jouent également un rôle important dans la réduction du risque de contamination et de fournir un bon point de départ pour les plantes avant la transplantation dans le système hydroponique. Un environnement de travail avec des installations comme un autoclave, hotte, chambre froide (4 ° C), et l'espace de croissance avec des conditions contrôlées (intensité de la lumière et température) est nécessaire pour une bonne mise en place expérimentale.

La fraîcheur de la solution nutritive détermine également la santé des plantes et à son tour, détermine le succès d'une expérience hydroponique. Puisque l'eau évapore plus rapidement sous l'éclairage direct, la concentration des sels va changer en raison d'une réduction du volume total de la solution; il est donc préférable de changer la solution hydroponique au moins deux fois par semaine. Toutefois, si de grands conteneurs, profondséquipé d'un système de pompe à air sont utilisés, il peut ne pas être nécessaire de remplacer la solution nutritive pour les expériences qui sont de courte durée. Notez que dans le cas d'Arabidopsis , nous avons utilisé des navires Magenta (77 mm de largeur x 77 mm de longueur x 97 mm de hauteur) , mais d' autres, des récipients plus grands peuvent également être utilisés pour accueillir les grandes usines.

Pour les chercheurs intéressés par les éléments nutritifs des plantes, des expériences hydroponiques offrent un cadre unique pour tester des phénotypes et des réponses végétales à différentes disponibilité des éléments nutritifs 17. En manipulant les concentrations des éléments d'intérêt, les chercheurs peuvent mettre en place différentes expériences pour tester les effets de la suffisance, la carence ou des concentrations toxiques de nutriments essentiels et non essentiels. Par rapport au système à base de sol, le système hydroponique fournit un milieu nutritif plus homogène sur les plantes avec moins de risque de maladies transmises par le sol. En outre, les deux racines et des pousses des tissus peuvent être prélevés et séparés facilementpour d'autres analyses sur des tissus végétaux spécifiques.

Dans la section représentative, nous avons introduit deux exemples dans lesquels un système hydroponique simple a été utilisé pour des études plus détaillées sur la nutrition des plantes. Dans le premier exemple, par la culture de plantes sur un gradient de concentration en zinc, nous avons pu montrer le niveau de contrôle qui peut être atteint sur la composition nutritive en utilisant ce système hydroponique. Les plantes cultivées avec 7 uM Zn ont augmenté beaucoup plus vigoureusement par rapport aux plantes cultivées dans 50 uM de Zn, tandis que les plantes cultivées sans Zn supplémentaire ajouté un retard de croissance par rapport aux plantes cultivées avec 7 uM Zn. Cela est en partie due à la longueur du temps, les plantes ont été autorisés à se développer dans des conditions suffisantes; l'élimination précoce de Zn par les médias est susceptible d'induire des symptômes plus forts zinc carence. En appliquant le même principe, nous avons été capables d'induire une toxicité en utilisant le métal non essentiel, du cadmium, qui est connue pour altérer la croissance des plantes.

Dans la secondeAinsi, la composition élémentaire de Col-0 racines et des pousses traitées avec 20 uM de Cd pendant 72 heures a été déterminée par ICP-OES. Nous avons trouvé des différences dans tous les métaux détectés entre les racines et les pousses. Macro-éléments ont été trouvés dans des concentrations plus élevées dans les pousses par rapport aux racines, tandis que le fer et le zinc ont été trouvés plus abondant dans les racines. Cadmium suivi une tendance similaire au fer et de zinc, étant plus concentrée dans les racines par rapport aux pousses. Ces données renforcent l'idée que les feuilles et les racines fournissent différentes informations sur l'état de ionome de la plante et donc à la fois les tissus doivent être analysés séparément pour comprendre la nutrition minérale et la composition au niveau de la plante entière. Outre ICP-OES plusieurs méthodes spectroscopiques telles que la spectroscopie d' absorption atomique (AAS) ou plasma à couplage inductif spectrométrie de masse (ICP-MS) peut également être utilisé pour mesurer la composition élémentaire (ionome) des tissus végétaux 18-20.

Dans un hydroponiexpérience de c, les symptômes et les phénotypes de plantes répondant à différentes conditions nutritives représentent le début de ce qui pourrait être étendu à des analyses plus élaborées telles que l'expression des gènes (transcriptomique) et de l'abondance des protéines (protéomique). Ces techniques -omic sont les clés pour intégrer le métabolisme des plantes par des processus d'une manière spécifique d' un tissu à considérer.

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

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References

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