Первые попытки выращивания сельскохозяйственных культур в изотермических контейнерах были сделаны еще в древности. И Вавилонские висячие сады, и ацтекские плавучие сады были основными формами контроля условий роста растений. Однако только в 19 веке ученые, изучающие рост и развитие растений, установили основные принципы гидропонного земледелия – купить оборудование для гидропоники. Культуры этого типа стали очень популярными благодаря серии статей доктора Уильяма Фредерика Герике из Калифорнийского университета. В 1930-х годах он проводил исследования гидропонных культур и уже тогда предсказал, что в будущем они сделают сельское хозяйство независимым от почвенных субстратов. В современном понимании гидропонное выращивание – это метод выращивания растений без использования почвы. Все необходимые питательные вещества растворяются в правильно приготовленной жидкой среде. Корни можно погрузить в него или опрыскать питательным раствором, а сам питательный раствор либо аэрируется, либо протекает через сосуд. Основные соли, необходимые для правильного развития растений, необходимо растворять в среде. Среди них есть те, которые содержат элементы: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, серу, а также железо, медь, цинк, марганец, молибден, бор, хлор и никель. Состав среды определяет ее электропроводность и осмотический потенциал. Также важны его pH, температура и оксигенация. В отличие от обработки почвы, можно контролировать состав питательного раствора и его модификацию, определять изменения, происходящие в процессе роста растений (изменение pH или появление веществ, выделяемых растениями в питательном растворе), и его замену без нарушения структуры корней.
Стало обычным использование гидропонных систем как в коммерческих целях, так и для исследований в области биотехнологии растений. Модельный вид – растение из семейства капустных – редис обыкновенный. Жизненный цикл арабидопсиса относительно короткий (около 6 недель), что позволяет получить большое количество семян за короткий период времени. Он вырастает до 30 см, что позволяет выращивать множество растений на ограниченном участке. Кроме того, у редиса небольшой, хорошо изученный геном, который облегчает идентификацию, локализацию и механизм действия различных генов.
Система разведения состоит из следующих элементов: туалетный лоток, крышка с отверстиями и помещенными в нее держателями, а также прозрачная крышка для всего контейнера.
Кювета вместимостью около 2 литров заполняется питательным раствором (или водой), состав которого зависит от типа эксперимента (например, с добавлением ниацина). Некоторые комплекты позволяют подсоединять к кювете аэрационные трубки. В крышке есть около десятка отверстий, в которые помещаются небольшие емкости (держатели – 1–1,5 мл), заполненные твердым питательным раствором (с добавлением агара). Семена помещают на твердую среду. После прорастания корни проходят через нижнее отверстие держателя и погружаются в жидкость в подстилке. Во время прорастания семян и роста рассады (пока растения не станут слишком большими) контейнер можно накрыть полупрозрачной крышкой, обеспечивающей тепличные условия. Кроме того, набор был разработан таким образом, чтобы ограничивать количество света, попадающего в жидкость в лотке, тем самым сводя к минимуму испарение и предотвращая рост водорослей.
Необходимо получить достаточную биомассу для изучения морфологии корней и надземных частей, а также изменчивости на физиологическом, биохимическом и молекулярном уровнях. Поэтому наборы для гидропонного выращивания были оптимизированы и адаптированы к требованиям конкретных видов, что позволило получить большое количество растений на небольшой площади. Это также позволило свести к минимуму различия между отдельными испытаниями, строго контролировать условия разведения, а также ограничить влияние внешних факторов, например, веществ в почве или микроорганизмов, живущих в ней.
Гидропонное земледелие имеет большое преимущество перед традиционным земледелием. Прорастание и рост семян на агарозной среде позволяет наблюдать за появившимися корнями через 7-10 дней. Выращивание в этой системе не требует пересадки, что снижает потери растительного материала. Съемная крышка с держателями позволяет легко переносить растения в целом или брать партии, или отдельные образцы и наблюдать за корневой системой, не подвергая ее повреждению. Выращивание этого типа также позволяет строго контролировать поступление микроэлементов, снижая риск неконтролируемых реакций питательных веществ с соединениями, встречающимися в природе в почве.