Name: 高分辨率红外热成像（HRIT）的冰核和冰传播的植物研究中的应用 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-05-08T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 36 s
Description: 学习使用高分辨率红外热成像技术可视化植物冰核形成与冰传播过程。该方法利用INA细菌作为外部冰核剂诱导植物冻结，为植物生理学和低温生物学研究提供非侵入式温度监测手段。

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本研究由奥地利科学基金（FWF）：P23681-B16 资助。

1. 植物材料的准备
<ol>
	<li>使用供试植物材料（Hosta spp. 或 Phaseolus vulgaris）的叶片或整株植物。</li>
</ol>
2. 含冰核活性（INA）细菌的水溶液的制备
<ol>
	<li>在25 °C条件下，将INA细菌Pseudomonas syringae（菌株Cit-7）接种于培养皿中，使用按厂家说明添加了10 g/L 100%甘油的假单胞菌琼脂F培养基进行培养。</li>
	<li>待菌落充分生长后，置于4 °C保存备用；为确保较高的冰核活性，需在使用前于4 °C持续保存两天。</li>
	<li>使用塑料、一次性或可重复使用的金属刮铲，在使用时从单个平板的琼脂表面刮取细菌，并将其放入装有10–15 ml去离子水的25 ml一次性比色皿中。细菌浓度应在1 × 107 至 1 × 109 · ml-1 范围内。溶液将呈现浑浊状态。无需使用血细胞计数板或分光光度计精确测定浓度，因浓度仅需大致准确即可。</li>
	<li>将比色皿涡旋振荡至少10秒，以充分分散细菌。 
	注意：所得INA菌悬液的具体浓度并不关键，上述操作步骤所提供的冰核活性已完全足够。此INA细菌与水的混合液将在后续的冰核实验中使用。</li>
</ol>
3. 设置冷冻实验
<ol>
	<li>将高分辨率红外相机（SC-660）放入防护丙烯酸箱内，使镜头从前端开口伸出，连接相机与笔记本电脑或记录设备的线缆从箱体后端开口引出。固定箱盖，并将该箱体置于环境培养箱或冷冻柜内，放置位置应确保能够观察到待测植物材料。
	<ol>
		<li>在成像室壁上衬以黑色建筑纸，为植物材料提供暗色背景，以防止反射的红外能量造成干扰。</li>
		<li>使用LED照明装置装配培养室，以在需要记录可见光波长图像时将光源产生的热量降至最低。仅需最低限度的照明，例如电池供电的壁橱灯或其他小型LED设备，即可使植物被相机清晰可见。
		<ol>
			<li>拍摄完植物材料的可见图像后，关闭LED照明。通过暗箱上的端口或其他开口，将所有外部有线连接（如火线接口连接至计算机、电源线等）引出至相机。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>用隔热泡沫材料填充端口或开口中的任何多余空间，以避免或减少腔室内的温度梯度。将腔室的初始温度设置为 1 °C。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将植物或植物部分摆放整齐，使植物材料位于相机视野范围内，并确保植物材料在远程观察屏幕或所选软件中清晰可见。</li>
	<li>让植物材料在1 °C下平衡30分钟至1小时，具体时间根据植物材料的大小而定，然后再开始进行控制性冷冻实验。这可确保在冷冻实验开始后，植物材料的温度不会比空气温度滞后数度。当植物材料的温度与空气温度相差在0.5 °C以内时，即达到平衡。
	<ol>
		<li>在使用盆栽植物时，于盆土表面覆盖一层聚苯乙烯泡沫隔热材料。待植物达到平衡状态后，开始对培养室进行降温。 
		注意：花盆中土壤表面的隔热层可减少花盆向植物周围空气中持续散失的热量，防止根部结冰；在自然霜冻事件中，由于土壤中存在大量的残余热量储备，根部通常不会冻结。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>设置所需的相机参数（调色板、温度范围、特定兴趣区域， 等。），如3.4.1-3.4.4节所述。
	<ol>
		<li>选择彩虹色板以在查看实时图像时显示温度变化。</li>
		<li>通过调节软件中图像下方的温度条，将温度范围设置为 5 °C。</li>
		<li>选择线性标度（算法），以根据选定的调色板（彩虹）将红外数据转换为伪彩色图像，并将温度范围设置为5 °C，同时基于图像自动跟踪温度范围。或者，在实验过程中可手动调整设定的温度范围。
		<ol>
			<li>使用软件提供的感兴趣区域内特定点的温度或该区域的平均温度。从记录的视频序列或图像文件中嵌入的信息提取所有像素的温度数据。 图3 显示 ResearchIR 软件内的典型截图。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>在植物组织上选择一个代表特定兴趣点的位置放置光标。将感兴趣区域定义为点（1-3像素大小）、方框、线条、椭圆或圆形。可在图像上设置多个点或形状的组合。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>录制视频序列
	<ol>
		<li>将相机设置为以60 Hz的频率进行录制，并手动停止录制。</li>
		<li>指明录制的视频文件将保存在计算机或外部驱动器上的位置。</li>
		<li>开始记录。 
		注意：由于将生成较大的视频文件，强烈建议将数据记录到外接硬盘中。录制的视频文件后续可进行编辑，仅保留包含必要信息的部分，这将显著减小文件大小。</li>
		<li>逐步将腔室温度降低0.5–1.0 °C。待植物温度与空气温度达到平衡后，再次降低0.5–1.0 °C。根据所观察植物组织的质量及其形态，平衡过程可能需要10至15分钟，因此冷却速率约为4 °C/小时。</li>
		<li>以相同方式继续，直至植物完全冻结且观察完成。当冻结过程结束后，停止记录。 
		注意：当植物材料与背景颜色相同时，表明植物组织已与空气温度达到平衡，因为二者处于相同的温度。由于背景温度与植物组织温度相同，此时可能难以观察到植物材料，直至再次降低温度，使植物组织与空气温度之间产生温差。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Taschler, D., Beikircher, B., Neuner, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Frost+resistance+and+ice+nucleation+in+leaves+of+five+woody+timberline+species+measured+in+situ+during+shoot+expansion%5BTitle%5D)+AND+%22Tree+Physiol%22%5BJournal%5D)">Frost resistance and ice nucleation in leaves of five woody timberline species measured in situ during shoot expansion.</a> Tree Physiol. 24, 331-337 (2004).</li>
<li>Neuner, G., Hacker, J. Ice formation and propagation in alpine plants. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aNeuner%2C+G+%22Plants+in+alpine+regions%3A+Cell+Physiology+of+adaptation+and+survival+strategies%22">Plants in alpine regions: Cell Physiology of adaptation and survival strategies</a>. Lütz, C. , Springer. 163-174 (2012).</li>
<li>Ladinig, U., Hacker, J., Neuner, G., Wagner, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+endangered+is+sexual+reproduction+of+high-mountain+plants+by+summer+frosts%3F+-+Frost+resistance%2C+frequency+of+frost+events+and+risk+assessment%5BTitle%5D)+AND+%22Oecologia%22%5BJournal%5D)">How endangered is sexual reproduction of high-mountain plants by summer frosts? - Frost resistance, frequency of frost events and risk assessment.</a> Oecologia. 171, 743-760 (2013).</li>
<li>Wisniewski, M. E., Gusta, L. V., Fuller, M. P., Karlson, D. Ice nucleation, propagation and deep supercooling: the lost tribes of freezing studies. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWisniewski%2C+ME+%22Plant+Cold+Hardiness%3A+from+the+laboratory+to+the+field%22">Plant Cold Hardiness: from the laboratory to the field</a>. Gusta, L. V., Wisniewski, M. E., Tanino, K. K. , CAB International. 1-11 (2009).</li>
<li>Bokhurst, S., Bjerke, J. W., Davey, M. P., Taulavuori, K., Taulavuori, E., Laine, K., Callaghan, T. V., Phoenix, G. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impacts+of+extreme+winter+warming+events+on+plant+physiology+in+a+sub-Arctic+heath+community%5BTitle%5D)+AND+%22Physiol.+Plant%22%5BJournal%5D)">Impacts of extreme winter warming events on plant physiology in a sub-Arctic heath community.</a> Physiol. Plant. 140, 128-140 (2010).</li>
<li>Taulavuori, K., Laine, K., Taulavuori, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+studies+on+Vaccinium+myrtillus.and+Vaccinium+vits-idea.in+relation+to+air+pollution+and+global+change+at+northern+high+latitudes%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Env.+Exp.+Bot%22%5BJournal%5D)">Experimental studies on Vaccinium myrtillus.and Vaccinium vits-idea.in relation to air pollution and global change at northern high latitudes: A review.</a> Env. Exp. Bot. 87, 191-196 (2013).</li>
<li>Wisniewski, M., Glenn, D. M., Gusta, L., Fuller, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+infrared+thermography+to+study+freezing+in+plants%5BTitle%5D)+AND+%22HortScience%22%5BJournal%5D)">Using infrared thermography to study freezing in plants.</a> HortScience. 43, 1648-1651 (2008).</li>
<li>Gu, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+2007+eastern+US+spring+freeze%3A+increased+cold+damage+in+a+warming+world%5BTitle%5D)+AND+%22BioScience%22%5BJournal%5D)">The 2007 eastern US spring freeze: increased cold damage in a warming world.</a> BioScience. 58, 253-262 (2008).</li>
<li>Augspurger, C. K. Spring warmth and frost: phenology, damage, and refoliation in a temperate deciduous forest. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAugspurger%2C+CK+%22Func.+Ecol%22">Func. Ecol</a>. 23, Spring. 1031-1039 (2007).</li>
<li>Neuner, G., Erler, A., Hacker, J., Ladinig, U., Wagner, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Frost+resistance+of+reproductive+tissues+in+various+reproductive+stages+of+high+alpine+plant+species%5BTitle%5D)+AND+%22Physiol.+Plant%22%5BJournal%5D)">Frost resistance of reproductive tissues in various reproductive stages of high alpine plant species.</a> Physiol. Plant. 147, 88-100 (2013).</li>
<li>Skre, O., Taulavuori, K., Taulavuori, E., Nilsne, J., Igeland, B., Laine, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+importance+of+hardening+and+winter+temperature+for+growth+in+mountain+birch+populations%5BTitle%5D)+AND+%22Env.+Exp.+Bot%22%5BJournal%5D)">The importance of hardening and winter temperature for growth in mountain birch populations.</a> Env. Exp. Bot. 62, 254-266 (2008).</li>
<li>Hänninen, H., Tanino, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tree+seasonality+in+a+warming+climate%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+in+Plant+Science%22%5BJournal%5D)">Tree seasonality in a warming climate.</a> Trends in Plant Science. 16, 412-416 (2011).</li>
<li>Katz, R. W., Brown, B. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extreme+events+in+a+changing+climate%3A+variability+is+more+important+than+averages%5BTitle%5D)+AND+%22Climate+Change%22%5BJournal%5D)">Extreme events in a changing climate: variability is more important than averages.</a> Climate Change. 21, 289-302 (1992).</li>
<li>Wisniewski, M., Gusta, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Understanding+plant+cold+hardiness%3A+an+opinion%5BTitle%5D)+AND+%22Physiol.+Plant%22%5BJournal%5D)">Understanding plant cold hardiness: an opinion.</a> Physiol. Plant. 147, 4-14 (2013).</li>
<li>Wisniewski, M., Gusta, L., Neuner, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adaptive+mechanisms+of+freeze+avoidance+in+plants.+A+brief+update%5BTitle%5D)+AND+%22Env.+Exp.+Bot%22%5BJournal%5D)">Adaptive mechanisms of freeze avoidance in plants. A brief update.</a> Env. Exp. Bot. 99, 133-140 (2014).</li>
<li>Burke, M. J., Gusta, L. V., Quamme, H. A., Weiser, C. J., Li, P. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Freezing+and+injury+in+plants%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Plant+Physiol%22%5BJournal%5D)">Freezing and injury in plants.</a> Annu. Rev. Plant Physiol. 27, 507-528 (1976).</li>
<li>Ishikawa, M., Price, W. S., Ide, H., Arata, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visualization+of+freezing+behaviors+in+leaf+and+flower+buds+of+full-moon+maple+by+nuclear+magnetic+resonance+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Physiol%22%5BJournal%5D)">Visualization of freezing behaviors in leaf and flower buds of full-moon maple by nuclear magnetic resonance microscopy.</a> Plant Physiol. 115 (4), 1515-1524 (1997).</li>
<li>Ishikawa, M., Sakai, A. Characteristics of freezing avoidance in comparison with freezing tolerance: a demonstration of extra-organ freezing. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aIshikawa%2C+M+%22Plant+cold+hardiness+and+freezing+stress%22">Plant cold hardiness and freezing stress</a>. Li, P. H., Sakai, A. , Academic Press. 325-340 (1982).</li>
<li>Buchner, O., Neuner, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Freezing+cytorrhysis+and+critical+temperature+thresholds+for+photosystem+II+in+the+peat+moss+Sphagnum+capillifolium%5BTitle%5D)+AND+%22Protoplasma%22%5BJournal%5D)">Freezing cytorrhysis and critical temperature thresholds for photosystem II in the peat moss Sphagnum capillifolium.</a> Protoplasma. 243 (1), 63-71 (2010).</li>
<li>Pearce, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extracellular+ice+and+cell+shape+in+frost-stressed+cereal+leaves%3A+A+low+temperature+scanning+electron+microscopy+study%5BTitle%5D)+AND+%22Planta%22%5BJournal%5D)">Extracellular ice and cell shape in frost-stressed cereal leaves: A low temperature scanning electron microscopy study.</a> Planta. 175, 313-324 (1988).</li>
<li>Ashworth, E. N., Anderson, J. A., Davis, G. A., Lightner, G. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ice+formation+in+Prunus+persica.+under+field+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Soc.+Hort.+Sci%22%5BJournal%5D)">Ice formation in Prunus persica. under field conditions.</a> J. Am. Soc. Hort. Sci. 110 (3), 322-324 (1985).</li>
<li>Ashworth, E. N., Davis, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ice+formation+in+woody+plants+under+field+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22HortSci%22%5BJournal%5D)">Ice formation in woody plants under field conditions.</a> HortSci. 21, 1233-1234 (1986).</li>
<li>Pramsohler, M., Hacker, J., Neuner, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Freezing+pattern+and+frost+killing+temperature+of+apple+%28Malus+domestica.%29+wood+under+controlled+conditions+and+in+nature%5BTitle%5D)+AND+%22Tree+Physiol%22%5BJournal%5D)">Freezing pattern and frost killing temperature of apple (Malus domestica.) wood under controlled conditions and in nature.</a> Tree Physiol. 32 (7), 819-828 (2012).</li>
<li>Wisniewski, M., Lindow, S. E., Ashworth, E. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observations+of+ice+nucleation+and+propagation+in+plants+using+infrared+video+thermography%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Physiol%22%5BJournal%5D)">Observations of ice nucleation and propagation in plants using infrared video thermography.</a> Plant Physiol. 113 (2), 327-334 (1997).</li>
<li>Lutze, J. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elevated+atmospheric+%5BCO2%5D+promotes+frost+damage+in+evergreen+tree+seedlings%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Cell+Environ%22%5BJournal%5D)">Elevated atmospheric [CO2] promotes frost damage in evergreen tree seedlings.</a> Plant Cell Environ. (6), 631-635 (1998).</li>
<li>Ball, M. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Space+and+time+dependence+of+temperature+and+freezing+in+evergreen+leaves%29%5BTitle%5D)+AND+%22Func.+Plant+Biol%22%5BJournal%5D)">Space and time dependence of temperature and freezing in evergreen leaves).</a> Func. Plant Biol. 29 (11), 1259-1272 (2002).</li>
<li>Sekozawa, Y., Sugaya, S., Gemma, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observations+of+ice+nucleation+and+propagation+in+flowers+of+Japanese+Pear+%28Pyrus+Pyrifolia%29%5BTitle%5D)+AND+%22Nakai%29+using+infrared+video%22%5BJournal%5D)">Observations of ice nucleation and propagation in flowers of Japanese Pear (Pyrus Pyrifolia).</a> Nakai) using infrared video. 73 (1), 1-6 (2004).</li>
<li>Hacker, J., Neuner, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ice+propagation+in+plants+visualized+at+the+tissue+level+by+IDTA+%28infrared+differential+thermal+analysis%29%5BTitle%5D)+AND+%22Tree+Physiol%22%5BJournal%5D)">Ice propagation in plants visualized at the tissue level by IDTA (infrared differential thermal analysis).</a> Tree Physiol. 27, 1661-1670 (2007).</li>
<li>Hacker, J., Neuner, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ice+propagation+in+dehardened+alpine+plant+species+studied+by+infrared+differential+thermal+analysis+%28IDTA%29%5BTitle%5D)+AND+%22Arc.+Antarc.+Alp.+Res%22%5BJournal%5D)">Ice propagation in dehardened alpine plant species studied by infrared differential thermal analysis (IDTA).</a> Arc. Antarc. Alp. Res. 40 (4), 660-670 (2008).</li>
<li>Hacker, J., Spindelböck, J., Neuner, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mesophyll+freezing+and+effects+of+freeze+dehydration+visualized+by+simultaneous+measurement+of+IDTA+and+differential+imaging+chlorophyll+fluorescence%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Cell+Environ%22%5BJournal%5D)">Mesophyll freezing and effects of freeze dehydration visualized by simultaneous measurement of IDTA and differential imaging chlorophyll fluorescence.</a> Plant Cell Environ. 31, 1725-1733 (2008).</li>
<li>Neuner, G., XU, B., Hacker, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Velocity+and+pattern+of+ice+propagation+and+deep+supercooling+in+woody+stems+of+Castanea+sativa.%2C+Morus+nigra.+and+Quercus+robur.+measured+by+IDTA%5BTitle%5D)+AND+%22Tree+Physiol%22%5BJournal%5D)">Velocity and pattern of ice propagation and deep supercooling in woody stems of Castanea sativa., Morus nigra. and Quercus robur. measured by IDTA.</a> Tree Physiol. 30, 1037-1045 (2010).</li>
<li>Hacker, J., Ladinig, U., Wagner, J., Neuner, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inflorescences+of+alpine+cushion+plants+freeze+autonomously+and+may+survive+subzero+temperatures+by+supercooling%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Sci%22%5BJournal%5D)">Inflorescences of alpine cushion plants freeze autonomously and may survive subzero temperatures by supercooling.</a> Plant Sci. 180, 149-156 (2011).</li>
<li>Kuprian, E., Briceno, V., Wagner, J., Neuner, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ice+barriers+promote+supercooling+and+prevent+frost+injury+in+reproductive+buds%2C+flowers+and+fruits+of+alpine+dwarf+shrubs+throughout+the+summer%5BTitle%5D)+AND+%22Env.+Exp.+Bot%22%5BJournal%5D)">Ice barriers promote supercooling and prevent frost injury in reproductive buds, flowers and fruits of alpine dwarf shrubs throughout the summer.</a> Env. Exp. Bot. 106, 4-12 (2014).</li>
<li>Wisniewski, M., Glenn, D. M., Fuller, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Use+of+a+hydrophobic+particle+film+as+a+barrier+to+extrinsic+ice+nucleation+in+tomato+plants%5BTitle%5D)+AND+%22HortScience%22%5BJournal%5D)">Use of a hydrophobic particle film as a barrier to extrinsic ice nucleation in tomato plants.</a> HortScience. 127, 358-364 (2002).</li>
<li>Aryal, B., &Neuner, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Leaf+wettability+decreases+along+an+extreme+altitudinal+gradient%5BTitle%5D)+AND+%22Oecologia%22%5BJournal%5D)">Leaf wettability decreases along an extreme altitudinal gradient.</a> Oecologia. 162, 1-9 (2010).</li>
<li>Wisniewski, M., Fuller, M. P. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWisniewski%2C+M+%22Ice+nucleation+and+deep+supercooling+in+plants%3A+new+insights+using+infrared+thermography.+In%3A+Cold+adapted+organisms.+Ecology%2C+physiology%2C+enzymologyandmolecularbiology%22">Ice nucleation and deep supercooling in plants: new insights using infrared thermography. In: Cold adapted organisms. Ecology, physiology, enzymologyandmolecularbiology</a>. Margesin, R., Schinner, F. , Springer. 105-118 (1999).</li>
<li>Franks, F. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFranks%2C+F+%22Biophysics+and+biochemistry+at+low+temperatures%22">Biophysics and biochemistry at low temperatures</a>. , Cambridge University Press. (1985).</li>
<li>Neuner, G., Kuprian, E. Infrared thermal analysis of plant freezing processes. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aNeuner%2C+G+%22Methods+in+Molecular+Biology%3A+Plant+Cold+Acclimation%22">Methods in Molecular Biology: Plant Cold Acclimation</a>. Hincha, D., Zuther, E. , Springer. 91-98 (2014).</li>
</ol>

作者无竞争性财务利益或利益冲突。

水能够在远低于0 °C的温度下发生过冷，而水的冻结温度具有较大的可变性。36 纯水过冷的温度极限约为-40 °C，该温度被称为均质成核点。当水在高于-40 °C的温度下结冰时，是由于存在异质成核剂，这些成核剂可促使微小冰胚的形成，进而催化冰晶的生成与生长。37 自然界中存在多种高效的冰核形成分子，因此自然界中大多数水的冻结发生在略低于0 °C的温度。调控或影响异质成核剂活性的能力，为植物防霜冻提供了一种全新的潜在策略。理解冰在冻敏感植物和耐冻植物中如何形成并扩展，是实现这一目标的关键。
如引言所述，已有多种方法被用于在实验室条件下研究植物的结冰过程，然而，自然界中植物的结冰过程主要通过热电偶进行监测。高分辨率红外热成像技术（HRIT）24-28,34 在研究植物结冰过程方面具有若干显著优势。HRIT 能够使研究者观察到冰晶形成的初始位点、冻结整株植物所需的结冰事件次数，实际观测冰在植物体内的传播方式以及是否存在阻碍冰传播的屏障，并确定植物的某些部位是否保持无冰状态。最重要的是，该技术使研究者能够在整株植物上观察结冰过...

当植物处于活跃生长期时，遭遇冰点温度可能是致命的，特别是对于那些抗冻能力极低或完全缺乏抗冻性的植物而言。此类霜冻事件通常会对农业生产造成毁灭性影响，同时也会在自然植物种群的群落结构形成中发挥重要作用，尤其是在高山、亚北极和北极生态系统中1-6。近年来，严重的春季霜冻对美国和南美洲的果树生产造成了重大影响7-9，而这种影响因异常早来的暖冬天气随后又出现接近常年平均的低温而加剧。早期的温暖天气促使芽体萌发，启动新生枝条、叶片和花朵的生长，而这些新生组织几乎不具备抗霜冻能力1,3,10-12。此类不稳定的天气模式被认为是当前气候变化的直接体现，并预计在可预见的未来将成为一种常见的气候现象13。尽管人们已努力开发经济、有效且环境友好的管理技术或农用化学品以提高植物的抗冻能力，但由于多种原因，这些尝试收效甚微，部分原因在于植物的抗冻机制和避冻机制本身具有高度复杂性14。
植物与霜冻存活相关的适应机制传统上分为两类：耐冻性和避冻性。前者与由特定基因调控的生化机制相关，使植物能够耐受组织中冰晶存在及其脱水效应所带来的胁迫。而后者通常（但不仅限于）与植物的结构特征相关，这些特征决定了冰晶在植物体内是否形成、何时形成以及在何处形成14。尽管避冻性作为一种适应机制十分普遍，但近年来针对其潜在机制及调控过程的研究仍十分有限。有关该主题的更多细节，读者可参考最近的一篇综述15。
尽管在低温下结冰看似是一个简单的过程，但许多因素共同决定了植物组织中冰核形成的温度以及冰在植物体内的扩展方式。这些因素包括外源性和内源性冰核物质的存在、异质性与均质性成核事件、热滞（抗冻）蛋白、特定糖类及其他渗透调节物质的存在，以及植物的多种结构特征，均在植物冻结过程中发挥重要作用。总体而言，这些参数影响着植物的冻结温度、冰的起始位置及其生长方式，还可能影响所形成冰晶的形态。在实验室条件下，已有多种方法被用于研究植物的冻结过程，包括核磁共振波谱法（NMR）16、磁共振成像（MRI）17、冷冻显微技术18-19以及低温扫描电子显微镜（LTSEM）20。然而，在实验室和田间条件下对整株植物的冻结过程监测，主要仍依赖热电偶。利用热电偶研究冻结过程的原理是水从液态转变为固态时会释放热量（熔化焓），因此冻结过程表现为一个放热事件21-23。尽管热电偶是研究植物冻结的常用方法，但其应用存在诸多局限性，限制了在冻结事件中所能获取的信息量。例如，使用热电偶几乎难以确定冰在植物中的起始位置、传播方式、传播速度是否均匀，以及某些组织是否保持无冰状态。
然而，高分辨率红外热成像技术（HRIT）的进步24-27显著提高了获取整株植物冻结过程信息的能力，尤其是在采用差分成像模式时效果更为显著28-33。在本报告中，我们描述了利用该技术研究植物中冰晶形成的位置及起始温度等冻结过程的多个方面及相关影响参数。本文将提供一项实验方案，用于展示冰核活性细菌Pseudomonas syringae（Cit-7）作为外源性冰核因子，可在较高的亚零温度下诱导草本植物发生冻结的能力。
高分辨率红外相机
本报告中记录的实验方案及示例采用了一台高分辨率红外视频辐射计。该辐射计（图1) 提供红外光谱和可见光谱图像以及温度数据。该相机的光谱响应范围为7.5至13.5 µm，分辨率为640 x 480像素。内置相机生成的可见光图像可与红外图像实时融合，有助于解释复杂的热图像。可使用多种相机镜头进行特写和显微观察。该相机既可独立使用，也可通过专用软件与笔记本电脑连接并受其控制。该软件可用于提取记录视频中包含的多种热数据。需要注意的是，市面上有多种不同类型的红外辐射计可供选择。因此，研究人员必须就其预期应用与熟悉产品的工程师进行沟通，并测试所选辐射计是否能够提供所需信息。本方案中使用的成像辐射计置于一个丙烯酸盒内图2） 用聚苯乙烯泡沫隔热 i为防止在升温和降温过程中暴露于冷凝环境。并非所有相机或应用都需要此保护措施。

<table><tbody><tr><td>红外相机</td><td>FLIR</td><td>SC-660</td><td>根据应用需求有多种型号可供选择</td></tr><tr><td>红外分析软件</td><td>FLIR</td><td>ResearchIR 4.10.2.5</td><td>3,500 美元</td></tr><tr><td>丁香假单胞菌（Cit-7 菌株）</td><td></td><td></td><td>&lt;a href=&quot;mailto:icelab@berkeley.edu">由加利福尼亚大学伯克利分校 Steven Lindow 博士惠赠，icelab@berkeley.edu&amp;nbsp;&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>假单胞菌琼脂 F</td><td>菲舍尔科技公司</td><td>DF0448-17-1</td><td></td></tr></tbody></table>

高分辨率红外热成像技术（hrit）在植物冰核形成与冰晶传播研究中的应用

The Use of High-resolution Infrared Thermography (HRIT) for the Study of Ice Nucleation and Ice Propagation in Plants

当植物处于活跃生长期时发生的霜冻事件可能是致命的，特别是对于缺乏耐冻性的植物而言。这类霜冻事件常常对农业生产造成毁灭性影响，同时也在自然植物种群的群落结构形成中发挥重要作用，尤其是在高山、亚北极和北极生态系统中。因此，更深入地理解植物中的结冰过程，对于研发防霜技术以及阐明避冻机制具有重要意义。本文描述了一种利用高分辨率红外热成像技术（HRIT）可视化植物结冰过程的实验方案。该技术的使用可帮助确定植物中冰晶形成的主要位点、冰的传播方式以及冰屏障的存在。此外，它还可用于研究外源性和内源性冰核在决定植物结冰温度方面的作用，并评估各种化合物是否能够影响结冰过程或提高耐冻性。利用HRIT技术，可以直观呈现植物在进化过程中形成的多种适应性特征，这些特征直接或间接地影响结冰过程，最终使植物能够存活于霜冻事件中。

冰核活性细菌Pseudomonas syringae（菌株Cit-7）的冰核活性
在玉簪叶（Hosta spp.）的下表面分别放置一滴10 µl的纯水和一滴含有P. syringae（Cit-7）的10 µl水溶液（图4）。如图所示，含有INA细菌的水滴首先结冰，并引发叶片组织冻结，而叶片表面的纯水滴仍保持液态。
木本植物中冰冻与冰晶传播
图5 展示了橡树（Quercus robur）茎中冰晶的成核与扩展过程。冰的形成始于茎的维管形成层/韧皮部区域，并沿茎的周向扩展。在木本植物茎中，冰的扩展速率在纵向远高于横向和周向。31
冰晶传播速率及冰晶传播屏障
在菜豆植株（P. vulgaris）茎部接...

本文介绍了一种利用高分辨率红外热成像技术（HRIT）来观察植物中冰晶形成位点及冰晶传播路径的实验方案。

高分辨率红外热成像技术（HRIT）在植物冰核形成与冰晶传播研究中的应用

当植物处于活跃生长期时发生的霜冻事件可能是致命的，特别是对于缺乏耐冻性的植物而言。此类霜冻事件……

以下实验的总体目标是演示外部成核剂在诱导植物材料结冰过程中的作用，并利用红外热成像技术对这一过程进行可视化观察。实验首先在所研究植物的叶片表面分别滴加一滴水和一滴具有冰核活性（INA）的细菌。第二步，将植物置于低温冷冻环境中，并调整其位置，以便使用高分辨率红外相机对其进行成像观察。随后确定相机的参数，以便研究人员观察冰晶的起始与扩展过程。接下来，逐步降低样品室的温度至零下温度，以诱导表面的冰核活性细菌结冰，进而促使植物组织结冰。实验结果展示了外源性冰核剂诱导植物结冰的作用，而非植物自身过冷以避免结冰；该过程通过红外热成像技术精确确定冰晶形成的初始位置，并可视化冰晶在植物体内的传播路径。该技术不仅可用于在对照条件下观察植物，还可用于在自然条件下的野外环境中进行观测。了解植物在自然条件下的结冰过程，并获取有关冻结机制的信息，可为农作物的防霜技术提供新的思路，同时也加深了我们对植物生态学的认识。该技术在高山生态学研究中尤其具有重要价值。接下来，我将与我的实验室技术员 Eric Burchard 一起在以下视频中演示该过程。首先进行培养，在 25 摄氏度条件下，将 INA 细菌 Psdo Srini 接种于含有伪多糖（pseudos）琼脂 F 的培养皿中，该琼脂按生产商说明配制，每升含 10 克伪多糖及 100% 甘油 10 毫升。待菌落生长充分后，将培养物置于 4 摄氏度环境中至少两天，以确保其具有较高的冰核活性。随后，使用一次性塑料或可重复使用的金属刮刀，从琼脂表面刮取单个培养皿中的细菌。将细菌放入10至15毫升去离子水中。在25毫升的一次性容器中，溶液会呈现浑浊状态。无需使用血球计数器、细胞计数仪或分光光度计确认浓度，因为浓度只需大致准确即可。涡旋混匀Q Vet至少10秒，以充分分散细菌。为设置冷冻实验，将高分辨率红外相机置于防护用丙烯酸箱内，使镜头从前箱体的开口伸出，连接相机与笔记本电脑或记录设备的线缆从箱体后部开口引出。通过此端口分配所有连接到相机的外部有线连接。使用绝缘泡沫材料填充端口或开口中的任何多余空间，以避免或减少培养室内的温度梯度。在培养室壁上衬以黑色建筑用纸，为植物材料提供暗背景，防止反射的红外能量造成干扰。安装LED照明装置，以在仅记录不可见波长图像时最大限度减少光源产生的热量。需要最低限度的照明，例如电池供电的柜内灯或其他小型LED设备，以便相机能够观察到植物，且在拍摄完可见光图像后应将其关闭。固定好箱体盖子，并将箱体放置于环境培养箱内合适位置，确保受试植物材料可被观察到。然后将培养室的初始温度设置为1摄氏度。接下来，调整植物或植物部分的位置，使植物材料位于摄像头的视野范围内，并且在远程观察屏幕或所选软件中可见。在即将关闭环境培养室门之前，使用微量移液器在叶片的AAL表面施加10微升水。然后使用另一个一次性移液器吸头，将10微升的INA细菌溶液施加到同一AAL表面的对侧。在开始冷冻实验之前，需将培养室的温度降至约1摄氏度，并让植物材料在此温度下平衡约半小时至一小时，具体时间取决于植物材料的大小。这样可确保在启动冷冻实验并开始降低温度时，植物材料的温度不会明显滞后于培养室内的空气温度。待植物达到平衡状态后，开始对培养室进行降温，并在科研用红外成像软件中设置所需的相机参数。首先，在实时图像观察界面中选择彩虹色板以显示温度变化。然后，通过调节软件中图像下方的温度条，将温度跨度设置为5°C。选择线性比例，以根据所选调色板将红外数据转换为伪彩色图像。将温度范围设置为五摄氏度，并根据图像自动跟踪。使用软件提供的特定点温度或感兴趣区域内的平均温度。然后将光标置于植物组织上代表特定兴趣点的位置。将感兴趣区域定义为点、矩形框、线段、椭圆或圆形。可在图像上叠加多个点或形状的组合。此外，也可以在实验完成后定义任何感兴趣的区域。当研究人员分析已保存的视频或图像文件以记录视频序列时，应将相机设置为以 60 赫兹进行录制，并手动停止录制，同时在计算机或外部硬盘上指明录制视频文件的存储位置。强烈建议将视频录制到外部硬盘驱动器，因为将会生成较大的视频文件。为录制视频序列，将相机设置为以 60 赫兹进行录制，并手动停止录制，然后开始录制。录制的视频文件可后续编辑，仅保留包含必要信息的部分。以 0.5 至 1.0 摄氏度为增量逐步降低腔室温度。在根据所观察植物组织的质量及其形态，以相同方式再次降低温度之前，需等待植物温度与空气温度达到平衡。平衡过程可能需要10至15分钟，从而实现每小时约2至4摄氏度的降温速率。以这种方式持续操作，直至植物结冰且完成所有观察。当冷冻过程完成后结束记录。图中显示的是高山杜鹃茎部的可见光图像，可见茎部中央附着的叶片和顶端芽。冰冻从茎部开始，随后冰晶向外扩散至叶片。顶芽保持未冻结状态，其冻结时间独立于茎和叶的初始冻结时间，通常在茎和叶开始冻结后的126至164分钟之间发生。在此期间，茎和叶冻结所产生的焓热已经消散。当在番茄植株上施加疏水屏障时，可阻止由INA细菌诱导的植株冻结。此处可以观察到，未涂覆植物上INA液滴与叶片表面之间具有较大的接触面积。相反，涂覆植物上INA液滴与叶片表面之间的接触程度降低。右侧的未涂覆植物发生了与植物冻结相关的放热反应。左侧经过涂层处理的植物在约零下六摄氏度时仍保持过冷且未结冰的状态。使用该技术时，重要的是要采用适当的降温速率，并多次观察冻结过程，以更好地理解如何解读所获得的图像和视频。该方法还可与热电偶结合使用，以更精确地估算空气温度以及冻结事件发生时的实际温度。

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高分辨率红外热成像（HRIT）的冰核和冰传播的植物研究中的应用

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Ice-Cap：一种用于植物生长的高通量毛细管采样方法 拟南芥 在96孔板中培养番茄植株以实现高通量基因分型

本方案描述了一种利用市售平板扫描仪快速采集拟南芥幼苗对重力刺激响应图像的方法。该方法能够以较低成本大量获取高分辨率图像，适用于后续分析算法处理。...

利用平板扫描仪采集拟南芥根向重力反应的高分辨率时间序列图像

已开发出一种通过非侵入性、无接触的近红外激光探测来测定叶片组织比热容和热导率的方法，每份样品检测耗时不足1分钟。...

一种快速激光探测方法可实现对叶片热学特性的无创非接触式测定

本文概述了通过评估抑制冰重结晶活性，并利用冰亲和纯化技术分离天然冰结合蛋白，从而从耐冻植物中鉴定冰结合蛋白的方法。...

通过冰重结晶抑制评估和冰亲和纯化分离鉴定植物冰结合蛋白

本文介绍了一种利用RGB成像和高光谱成像评估土壤中生长的植物根系的实验方案。将RGB图像的时间序列与高光谱扫描的化学计量信息相结合，可优化对植物根系动态的深入理解。...

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本文介绍了一种对草莓植株在三维空间中结冰过程进行成像的实验方案。通过将两台红外相机以略微不同的角度放置，生成红蓝立体视频，以观察植株在三维空间中的结冰过程。...

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我们提供了一种通过大规模筛选化合物文库来鉴定叶片蒸腾作用调节剂的方法。...

通过大规模热成像筛选鉴定向日葵（Helianthus annuus）中植物蒸腾作用的新调控因子

我们设计了一种基于图像的表型分析方案，用于确定植物对单一及复合的高温、干旱和涝渍处理所引发的形态学和生理学响应。该方法能够在全植株水平（尤其是地上部分）识别早期、晚期以及恢复期的响应特征，并凸显了使用多种成像传感器的必要性。...

基于高通量图像的表型分析技术用于确定马铃薯对单一及复合胁迫的形态与生理响应

利用瞬时表达系统，以烟草植物生产了一种真菌纤维素酶...

在烟草植物中表达来自Trichoderma reesei的重组纤维素酶Cel5A

本实验方案的目的是通过施加静态磁场（无需外部能量）来展示植物初始生长速率的加快。...

利用静态磁场促进农作物初期生长速率

学习使用高分辨率红外热成像技术可视化植物冰核形成与冰传播过程。该方法利用INA细菌作为外部冰核剂诱导植物冻结，为植物生理学和低温生物学研究提供非侵入式温度监测手段。

高分辨率红外热成像技术（HRIT）在植物冰核形成与冰晶传播研究中的应用

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