JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
العربية

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Environment

تكلفة انخفاض مرونة نظام الزراعة المائية لتقييم استجابات النبات للجزيئات الصغيرة في ظروف معقمة

Published: August 25, 2018
doi:
10.3791/57800
, , , , , ,
1Brazilian Bioethanol Science and Technology Laboratory (CTBE),Brazilian Center for Research in energy and materials (CNPEM), 2University of Campinas (UNICAMP), 3University of Viçosa (UFV), 4CTBE,CNPEM, 5Brazilian Bioethanol Science and Technology Laboratory (CTBE/CNPEM),Max Planck Partner Group

Summary

نجاح الأمثل بسيطة وتنوعاً، ومنخفضة التكلفة في المختبر نظام الزراعة المائية، تمكين تجارب واسعة النطاق تحت ظروف معقمة. وييسر هذا النظام إلى استخدام مواد كيميائية في التوصل إلى حل، وعلى كفاءة امتصاص الجذور للدراسات الجزيئية والكيمياء الحيوية والفسيولوجية.

Abstract

يتم تنفيذ مجموعة واسعة من الدراسات في علم الأحياء النباتية باستخدام تربة الثقافات. ويرد في هذا العمل، في المختبر نمو تربة نظام مصمم لتقييم استجابات مصنع للمواد الكيميائية والمواد الأخرى ذات الاهتمام. وهذا النظام ذات كفاءة عالية في الحصول على شتلات متجانسة وصحية من ج3 وج4 نموذج أنواع التمويل نبات و ذيل الثعلب الأخضر، على التوالي. ويتجنب العقيمة زراعة الطحالب والتلوث بالكائنات الدقيقة، التي تعرف بالعوامل المحددة لنمو النباتات الطبيعية والتنمية في الزراعة المائية. وبالإضافة إلى ذلك، أن هذا النظام للتحجيم، تمكين حصاد المواد النباتية على نطاق واسع مع أضرار ميكانيكية طفيفة، فضلا عن حصاد الأجزاء الفردية من النبات إذا رغبت في ذلك. بروتوكول مفصل مما يدل على أن هذا النظام قد تجميع سهلة ومنخفضة التكلفة، كما أنه يستخدم رفوف ماصة كمنصة رئيسية لزراعة النباتات، يتم توفيرها. تم التحقق من صحة في جدوى هذا النظام استخدام شتلات نبات لتقييم تأثير المخدرات AZD-8055، مثبط كيميائية للهدف المتمثل في كيناز ربمسن (تور). تم اكتشاف تور تثبيط كفاءة أقرب وقت 30 دقيقة بعد معاملة AZD-8055 في الجذور ويطلق النار على. وعلاوة على ذلك، عرض AZD-8055-معاملة النباتات النمط الظاهري النشا-الزائدة المتوقعة. لقد اقترحنا هذا نظام الزراعة المائية كطريقة مثالية للباحثين المصنع تهدف إلى رصد عمل مصنع مستحثات أو مثبطات، كذلك فيما يتعلق بتقييم تدفقات الأيضي باستخدام مركبات وسم النظائر التي، بشكل عام، يتطلب استخدام مكلفة الكواشف.

Introduction

مزايا النباتات تزايد استخدام الزراعة المائية قد تم الاعتراف على نطاق واسع في إنتاج النباتات كبيرة وموحدة، وتمكين تجارب استنساخه1،،من23. في هذا النظام، ويمكن بشكل صحيح الخاضعة لتكوين الحل التغذوية والمعاد تدويرها على امتداد جميع مراحل نمو النبات والتنمية. وعلاوة على ذلك، عدم تعرض جذور الإجهادات الأحيائية واللااحيائيه، كما يمكن أن يحدث في النباتات التي تزرع في التربة، مثل نقص المياه والمجاعة المغذيات4. كالنباتات نمت هيدروكانابينول هذه الصفات المورفولوجية والفسيولوجية مماثلة إلى حد ما لتلك المزروعة في التربة، هذا النظام على نطاق واسع واستخدمت في البحث لأنه يسمح برصد نمو الجذر/تبادل لإطلاق النار والحصاد دون الإصابات2،5.

نظراً لإمكانية تغيير التكوين وتركز الحل التغذوية، قد أنجز معظم البحوث باستخدام ظروف تربة لتوصيف المهام للمشاريع المتناهية الصغر والمغذيات الكبيرة1،3 ،6،،من78. ومع ذلك، أثبت هذا النظام لتكون مفيدة للغاية لمجموعة واسعة من التطبيقات في علم الأحياء النباتية، مثل لتوضيح وظائف الهرمونات والمواد الكيميائية في المصانع. على سبيل المثال، اكتشاف ستريجولاكتونيس كفئة جديدة من الهرمونات9 والنمط الظاهري تسارع النمو الناجمة عن تطبيق براسينوستيرويد10 أجريت في ظروف تربة. وعلاوة على ذلك، يتيح هذا النظام تجارب مع النظائر المسمى (مثلاً، 14ن/15N و 13CO2)11،12 تقييم إدماج تلك البروتينات ونواتج الأيض بالطيف الكتلي.

ونظرا لأهمية هذا النظام في محطة البحوث، تم تصميم عدد كبير من الثقافات تربة في السنوات القليلة الماضية، بما في ذلك الأنظمة التي تستخدم (ط) نقل الشتلات من لوحات للحاويات تربة3، 13؛ (ثانيا) روكوول الذي يحد من الوصول إلى المراحل المبكرة من جذور التنمية2،،من1415؛ (ثالثا) البولي إثيلين الحبيبات كهيئة عائمة، مما يجعل التطبيق متجانسة من الجزيئات الصغيرة/العلاجات الصعبة16؛ أو (الرابع) انخفاض عدد مصانع9،17. حجم تربة الدبابات الموصوفة في كثير من تلك البروتوكولات عادة ما تكون كبيرة (كميات صغيرة تتراوح بين 1-5 لتر، تصل إلى 32 لتر)18، مما يجعل تطبيق المواد الكيميائية مكلفة للغاية. على الرغم من أن دراسات قليلة تصف زراعة تربة تحت ظروف معقمة8،19، الجمعية العامة للنظام عادة ما تكون شاقة جداً، تتألف من التكيف المثالي من النايلون تنسجم في البلاستيك أو الزجاج حاويات5،8،،من1720.

نظراً لأهمية التمويل نبات كمصنع نموذجي، صممت معظم نظم الزراعة المائية لهذه الأنواع1،2،،من814،18، 19 , 20-ومع ذلك، هناك عدد قليل من الدراسات الإبلاغ ميزات تربة النمو للأنواع النباتية الأخرى مع المعالجة بذور لتحسين على الإنبات ومعدلات التزامن في المختبر8،16 . وبغية العمل على نطاق واسع، قمنا بتطوير بروتوكول لإقامة نظام تربة صيانة البسيطة والمنخفضة التكلفة التي تمكن ظروف معقمة لزراعة النباتات، بما في ذلك (أ) التمويل وغيرها من الأنواع، مثل العشب ذيل الثعلب viridis. الأسلوب الموصوفة هنا مناسبة لتجارب مختلفة، كما يمكن تكبير نمو الشتلات ومتزامنة ورصدها بسهولة. وعلاوة على ذلك، وهذا النظام له العديد من المزايا ك: (ط) أن الجمعية واضحة ويمكن إعادة استخدام مكوناته؛ (ثانيا) فإنه يسمح للتطبيق السهل للمواد الكيميائية المختلفة في الوسط السائل؛ (ثالثا) شتلة تنبت وتنمو مباشرة على المديين المتوسط والثقافة دون الحاجة إلى انتقال إلى نظام الزراعة المائية؛ (رابعا) تبادل لإطلاق النار والجذر التنمية/النمو يمكن أن تكون تحت إشراف عن كثب وتحصد الشتلات دون الأضرار؛ و (الخامس) أنه يجعل من الممكن للعمل على نطاق واسع، الحفاظ على الظروف الفسيولوجية.

Protocol

1. إعداد وسائل الإعلام ثقافة السائلة والصلبة إعداد متوسطة سائل باستخدام المتوسط نصف قوامها Murashige وسكوغ (مللي ثانية) مع الفيتامينات [0.0125 مغ/لتر بينتاهيدراتي كلوريد الكوبالت الثنائي، 0.0125 مغ/لتر من بينتاهيدراتي كبريتات النحاس الثنائي، 18.35 مغ/لتر من اتهيلينيديامينيتيتراسيتاتي الصوديوم …

Representative Results

كيناز تور هو منظم رئيسي يدمج المغذيات والطاقة مما يشير إلى تعزيز انتشار الخلايا والنمو في جميع حقيقيات النوى. تشمل الجهود المبذولة لتوضيح مهام تور في محطات توليد نبات الأسطر المعدلة وراثيا تحتوي على تور القمع الشرطي من خلال تدخل الجيش الملكي النيبالي أو microRNA الاصطن…

Discussion

يتيح هذا الهيكل الأمثل تربة الثقافة الناجحة في المختبر للنباتات. تنبت بذور جيدا في المتوسط الصلبة في سطح مسطح نصيحة ماصة، مكسباً كبيرا بالمقارنة مع نظم فيها البذور غارقة مع الحل المغذيات. ميزة كبيرة لهذا النظام أنه أثناء وضع الشتلات، الحصول على الجذور مباشرة على اتصال المتوسطة السائ…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

وكان يؤيد هذا العمل من “مؤسسة أبحاث ساو باولو” (FAPESP؛ منح 12-19561-0) وجمعية ماكس بلانك. إلياس واو أروجو (فابيميج 14/30594)، كارولينا جيم مونت بيلو (FAPESP؛ منح 14/10407-3)، باليريا مافرا (FAPESP؛ منح 14/07918-6)، ونشعر بالامتنان للزمالات فيفيان جيم حاء دا سيلفا (الرؤوس/كنبيم 24/2013). يشكر المؤلفون كريستيان ماير من معهد جان بيير بورجين (الموارد الطبيعية، فرساي، فرنسا) لتوفير سخاء أجسام مضادة ضد RPS6. يشكر المؤلفون كامبيناس محطة إذاعة وتليفزيون وتسجيل مانويل اد باولو أباريسيدو دي سوزا لتقديم الدعم التقني لهم من خلال الصوت.

Materials

Ethanol Merck 100983
Sodium hypochlorite solution Sigma-Aldrich 425044
Polysorbate 20   Sigma-Aldrich P2287
Murashige and Skoog (MS) medium including vitamins  Duchefa Biochemie M0222
2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid (MES) monohydrate Duchefa Biochemie M1503
Agar  Sigma-Aldrich A7921
Potassium hydroxide Sigma-Aldrich 484016
Laminar flow hood Telstar BH-100
Hotplate AREC F20510011
Growth chamber Weiss Technik HGC 1514
Glass Petri dish (150 mm x 25 mm) Uniglass 189.006
200 μL pipette tip racks  Kasvi K8-200-5 *
300 μL multichannel pipette Eppendorf 3122000060
300 μL pipette tips Eppendorf 30073088
200 μL pipette  Eppendorf 3120000054
200 μL pipette tips Eppendorf 30000870
Scissors Tramontina 25912/108
Tweezer ABC Instrumentos 702915
Scalpel blade Sigma-Aldrich S2771
Adhesive transparent tape (45mm x 50m) Scotch 3M 5803
Disposable plastic boxes, external dimensions: 353 mm (L)x 178 mm (W) x 121mm (H) Maxipac 32771
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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 (2013).
  2. Gibeaut, D. M., Hulett, J., Cramer, G. R., Seemann, J. R. Maximal Biomass of Arabidopsis thaliana Using a Simple, Low-Maintenance Hydroponic Method and Favorable Environmental Conditions. Plant Physiology. 115, 317-319 (1997).
  3. 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. Journal of Visualized Experiments. (113), e54317 (2016).
  4. Koevoets, I. T., Venema, J. H., Elzenga, J. T. M., Testerink, C. Roots Withstanding their Environment: Exploiting Root System Architecture Responses to Abiotic Stress to Improve Crop Tolerance. Frontiers in Plant Science. 7, 1335 (2016).
  5. Arteca, R. N., Arteca, J. M. A novel method for growing Arabidopsis thaliana plants hydroponically. Physiologia Plantarum. 108, 188-193 (2000).
  6. Wang, R., Okamoto, M., Xing, X., Crawford, N. M. Microarray analysis of the nitrate response in Arabidopsis roots and shoots reveals over 1,000 rapidly responding genes and new linkages to glucose, trehalose-6-phosphate, iron, and sulfate metabolism. Plant Physiology. 132, 556-567 (2003).
  7. Hirai, M. Y., et al. Integration of transcriptomics and metabolomics for understanding of global responses to nutritional stresses in Arabidopsis thaliana. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101, 10205-10210 (2004).
  8. Alatorre-Cobos, F., et al. An improved, low-cost, hydroponic system for growing Arabidopsis and other plant species under aseptic conditions. BMC Plant Biology. 14, 69 (2014).
  9. Umehara, M., et al. Inhibition of shoot branching by new terpenoid plant hormones. Nature. 455, 195-200 (2008).
  10. Arteca, J. M., Arteca, R. N. Brassinosteroid-induced exaggerated growth in hydroponically grown Arabidopsis plants. Physiologia Plantarum. 112, 104-112 (2001).
  11. Bindschedler, L. V., Palmblad, M., Cramer, R. Hydroponic isotope labelling of entire plants (HILEP) for quantitative plant proteomics; an oxidative stress case study. Phytochemistry. 69, 1962-1972 (2008).
  12. Huege, J., et al. GC-EI-TOF-MS analysis of in vivo carbon-partitioning into soluble metabolite pools of higher plants by monitoring isotope dilution after 13CO2 labelling. Phytochemistry. 68, 2258-2272 (2007).
  13. Berezin, I., Elazar, M., Gaash, R., Avramov-Mor, M., Shaul, O., Asao, T. The Use of Hydroponic Growth Systems to Study the Root and Shoot Ionome of Arabidopsis thaliana. Hydroponics: A Standard Methodology for Plant Biological Researches. , 135-152 (2012).
  14. Smeets, K., et al. Critical evaluation and statistical validation of a hydroponic culture system for Arabidopsis thaliana. Plant Physiology and Biochemistry. 46, 212-218 (2008).
  15. Huttner, D., Bar-zvi, D. An improved, simple, hydroponic method for growing Arabidopsis thaliana. Plant Molecular Biology Reporter. 21, 59-63 (2003).
  16. Battke, F., Schramel, P., Ernst, D. A novel method for in vitro culture of plants: Cultivation of barley in a floating hydroponic system. Plant Molecular Biology Reporter. 21, 405-409 (2003).
  17. Negi, M., Sanagala, R., Rai, V., Jain, A. Deciphering Phosphate Deficiency-Mediated Temporal Effects on Different Root Traits in Rice Grown in a Modified Hydroponic System. Frontiers in Plant Science. 7, 550 (2016).
  18. Tocquin, P., et al. A novel high efficiency, low maintenance, hydroponic system for synchronous growth and flowering of Arabidopsis thaliana. BMC Plant Biology. 3, 2 (2003).
  19. Schlesier, B., Bréton, F., Mock, H. P. A hydroponic culture system for growing Arabidopsis thaliana plantlets under sterile conditions. Plant Molecular Biology Reporter. 21, 449-456 (2003).
  20. Norén, H., Svensson, P., Andersson, B. A convenient and versatile hydroponic cultivation system for Arabidopsis thaliana. Physiologia Plantarum. 121, 343-348 (2004).
  21. Martins, P. K., Ribeiro, A. P., da Cunha, B. A. D. B., Kobayashi, A. K., Molinari, H. B. C. A simple and highly efficient Agrobacterium-mediated transformation protocol for Setaria viridis. Biotechnology Reports. 6, 41-44 (2015).
  22. Montané, M. H., Menand, B. ATP-competitive mTOR kinase inhibitors delay plant growth by triggering early differentiation of meristematic cells but no developmental patterning change. Journal of Experimental Botany. 64, 4361-4374 (2013).
  23. Boyes, D. C., et al. Growth stage-based phenotypic analysis of Arabidopsis: a model for high throughput functional genomics in plants. The Plant Cell. 13, 1499-1510 (2001).
  24. Dobrenel, T., et al. The Arabidopsis TOR Kinase Specifically Regulates the Expression of Nuclear Genes Coding for Plastidic. Frontiers in Plant Science. 7, 1611 (2016).
  25. Lunn, J. E., Furbank, R. T. Localisation of sucrose-phosphate synthase and starch in leaves of C4 plants. Planta. 202, 106-111 (1997).
  26. Hendriks, J. H. M., Kolbe, A., Gibon, Y., Stitt, M., Geigenberger, P. ADP-Glucose Pyrophosphorylase Is Activated by Posttranslational Redox-Modification in Response to Light and to Sugars in Leaves of Arabidopsis and Other Plant Species. Plant Physiology. 133, 838-849 (2003).
  27. Stitt, M., Lilley, R. M., Gerhardt, R., Heldt, H. W., Fleischer, S., Fleischer, B. Metabolite levels in specific cells and subcellular compartments of plant leaves. Methods in Enzymology. 174, 518-552 (1989).
  28. Caldana, C., et al. Systemic analysis of inducible target of rapamycin mutants reveal a general metabolic switch controlling growth in Arabidopsis thaliana. The Plant Journal. 73, 897-909 (2013).
  29. Livak, K. J., Schmittgen, T. D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2-ΔΔCT method. Methods. 25, 402-408 (2001).
  30. Dobrenel, T., et al. Sugar metabolism and the plant target of rapamycin kinase: a sweet operaTOR?. Frontiers in Plant Science. 4, 93 (2013).
  31. Moreau, M., et al. Mutations in the Arabidopsis homolog of LST8/GβL, a partner of the target of Rapamycin kinase, impair plant growth, flowering, and metabolic adaptation to long days. The Plant Cell. 24, 463-481 (2012).
  32. Deprost, D., et al. The Arabidopsis TOR kinase links plant growth, yield, stress resistance and mRNA translation. EMBO Reports. 8, 864-870 (2007).
  33. Menand, B., et al. Expression and disruption of the Arabidopsis TOR (target of rapamycin) gene. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99, 6422-6427 (2002).
  34. Mahfouz, M. M., Kim, S., Delauney, A. J., Verma, D. P. Arabidopsis TARGET OF RAPAMYCIN Interacts with RAPTOR, Which Regulates the Activity of S6 Kinase in Response to Osmotic Stress Signals. The Plant Cell. 18, 477-490 (2006).
  35. Zhang, R., et al. ScFKBP12 bridges rapamycin and AtTOR in Arabidopsis. Plant Signaling & Behavior. 8, e26115 (2013).
  36. Schepetilnikov, M., et al. TOR and S6K1 promote translation reinitiation of uORF-containing mRNAs via phosphorylation of eIF3h. The EMBO Journal. 32, 1087-1102 (2013).
  37. Schepetilnikov, M., et al. Viral factor TAV recruits TOR/S6K1 signalling to activate reinitiation after long ORF translation. The EMBO Journal. 30, 1343-1356 (2011).
  38. Xiong, Y., et al. Glucose-TOR signalling reprograms the transcriptome and activates meristems. Nature. 496, 181-186 (2013).
  39. Creff, A., Sormani, R., Desnos, T. The two Arabidopsis RPS6 genes, encoding for cytoplasmic ribosomal proteins S6, are functionally equivalent. Plant Molecular Biology. 73, 533-546 (2010).
  40. Turck, F., Zilbermann, F., Kozma, S. C., Thomas, G., Nagy, F. Phytohormones participate in an S6 kinase signal transduction pathway in Arabidopsis. Plant Physiology. 134, 1527-1535 (2004).
  41. Gibon, Y., et al. Adjustment of diurnal starch turnover to short days: Depletion of sugar during the night leads to a temporary inhibition of carbohydrate utilization, accumulation of sugars and post-translational activation of ADP-glucose pyrophosphorylase in the followin. Plant Journal. 39, 847-862 (2004).
  42. Smith, A. M., Stitt, M. Coordination of carbon supply and plant growth. Plant, Cell & Environment. 30, 1126-1149 (2007).
  43. Smith, A. M., Zeeman, S. C., Smith, S. M. Starch Degradation. Annual Review of Plant Biology. 56, 73-98 (2005).
  44. Orzechowski, S. Starch metabolism in leaves. Acta Biochimica Polonica. 55, 435-445 (2008).
  45. Gibon, Y., et al. Adjustment of growth, starch turnover, protein content and central metabolism to a decrease of the carbon supply when Arabidopsis is grown in very short photoperiods. Plant, Cell & Environment. 32 (7), 859-874 (2009).
  46. Kim, J. B., Kang, J. Y., Soo, Y. K. Over-expression of a transcription factor regulating ABA-responsive gene expression confers multiple stress tolerance. Plant Biotechnology Journal. 2, 459-466 (2004).
  47. Vishwakarma, K., et al. Abscisic Acid Signaling and Abiotic Stress Tolerance in Plants: A Review on Current Knowledge and Future Prospects. Frontiers in Plant Science. 8, 161 (2017).
  48. Yoshida, T., et al. Four Arabidopsis AREB/ABF transcription factors function predominantly in gene expression downstream of SnRK2 kinases in abscisic acid signalling in response to osmotic stress. Plant, Cell & Environment. 38, 35-49 (2015).
  49. Koch, K. E. Carbohydrate-Modulated Gene Expression in Plants. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology. 47, 509-540 (1996).
  50. Price, J., Laxmi, A., St Martin, S. K., Jang, J. C. Global transcription profiling reveals multiple sugar signal transduction mechanisms in Arabidopsis. The Plant Cell. 16, 2128-2150 (2004).
  51. Thimm, O., et al. mapman: a user-driven tool to display genomics data sets onto diagrams of metabolic pathways and other biological processes. The Plant Journal. 37, 914-939 (2004).
  52. Bläsing, O. E., et al. Sugars and Circadian Regulation Make Major Contributions to the Global Regulation of Diurnal Gene Expression in Arabidopsis. The Plant Cell. 17, 3257-3281 (2005).
  53. Osuna, D., et al. Temporal responses of transcripts, enzyme activities and metabolites after adding sucrose to carbon-deprived Arabidopsis seedlings. The Plant Journal. 49, 463-491 (2007).
  54. Yadav, U. P., et al. The sucrose-trehalose 6-phosphate (Tre6P) nexus: specificity and mechanisms of sucrose signalling by Tre6P. Journal of Experimental Botany. 65, 1051-1068 (2014).
  55. Brutnell, T. P., et al. Setaria viridis: A Model for C4 Photosynthesis. The Plant Cell. 22, 2537-2544 (2010).
  56. Altman, N., Krzywinski, M. Points of Significance: Clustering. Nature Methods. 14, 545-546 (2017).
  57. Pratelli, R., Boyd, S., Pilot, G. Analysis of amino acid uptake and translocation in Arabidopsis with a low-cost hydroponic system. Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 179, 286-293 (2016).

Tags

Hydroponic SystemIn VitroSterile ConditionsPlant ResponsesSmall MoleculesArabidopsis ThalianaMS MediumLaminar Flow HoodSterilizationUV LightSolid MediumLiquid Medium

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Monte-Bello, C. C., Araujo, E. F., Martins, M. C., Mafra, V., da Silva, V. C., Celente, V., Caldana, C. A Flexible Low Cost Hydroponic System for Assessing Plant Responses to Small Molecules in Sterile Conditions. J. Vis. Exp. (138), e57800, doi:10.3791/57800 (2018).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image