Name: 采用静态磁场农业植物初始增长率提高 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-08T13:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 17 s
Description: 了解如何利用静态磁场促进凤仙花种子萌发和初期生长，无需额外能源或肥料。本方法在18至25摄氏度、65%至75%湿度的实验室条件下进行，为可持续农业和营养医学研究提供新思路。

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本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）（2011-0012728）的支持。展示本研究的海报荣获韩国应用生物科学学会（KSABC）颁发的最佳海报奖。

1. 初始设置
<ol>
	<li>农业植物物种
	<ol>
		<li>使用凤仙花（Impatiens balsamina）、水菜（Brassica rapa var. japonica）、小松菜（Brassica rapa var. perviridis）和芝麻菜（Lepidium sativum）种子。 
		注：凤仙花（Impatiens balsamina，又称洋凤仙或玫瑰凤仙）原产于印度，少数种类也分布于缅甸。小松菜（Brassica rapa var. perviridis 或 komatsuna）是与普通芜菁同种的一个变种。豆瓣菜（Lepidium sativum）是一种在分类学上与西洋菜和芥菜相关的香草植物，具有相似的风味和气味，因此被广泛用于商业用途5,7。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>植物培养
	<ol>
		<li>在直径100 mm（100 pi）的培养皿中培养凤仙花（Impatiens balsamina）、水菜（Brassica rapa var. japonica）、小松菜（Brassica rapa var. perviridis）和芝麻菜（Lepidium sativum）种子。确保每个培养皿仅含一种植物物种。</li>
		<li>培养条件：将种子置于纤维素毛巾上，用三蒸水浸湿毛巾和种子。测量并确认实验室室内常温（RT）为18–25 °C，相对湿度范围为65–75%（请参见第3.1.2节）。</li>
		<li>种子数量：凤仙花培养10 ± 1粒种子，水菜培养50 ± 10粒种子，小松菜培养330 ± 20粒种子，芝麻菜培养380 ± 20粒种子。培养条件保持一致，即18–25 °C，相对湿度65–75%（请参见第2.1.1节）。 
		注：所有实验均在实验室室内条件下进行，湿度和温度范围受控。湿度和温度并非恒定不变，但磁处理组与对照组所处条件完全相同。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 四种农作物的培养
<ol>
	<li>实验步骤
	<ol>
		<li>对照组和施加磁场组的植物种类及培养条件，请参照第1.2.3节。</li>
		<li>在凤仙花的100 mm培养皿底部施加三个磁场强度为1,750 ± 350 高斯（10,000 高斯 = 1 特斯拉）的磁铁。施加过程中，确保三个磁铁不与种子直接接触，磁铁与种子之间由培养皿的塑料底部隔开。种子与磁铁之间的直接距离应为2–4 mm。对四种农作物连续施加磁场168小时（7天）。</li>
		<li>按照2.1.2)中的所有步骤完全相同的操作，在凤仙花培养皿的顶部放置一个磁铁（N极朝上），底部放置另一个磁铁（S极朝上）。 
		注：凤仙花实验中磁极的放置方式不同。然而，在本研究中，磁极方向并不被视为影响生长变化的关键因素，因为除磁通方向外，所有环境条件均相同。对凤仙花采用N极和S极的施加方式，旨在考察其在田间应用时的实际可行性，因为在实际田间环境中磁极方向可能难以控制。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 凤仙花微管蛋白染色 &#160;
<ol>
	<li>在受控光照条件下的磁处理应用
	<ol>
		<li>&#160;将两块磁铁（N极朝上）放置于100 mm培养皿底部，按照步骤1.2.2的条件处理48小时。 
		注意：若需调整光照条件，可将培养皿置于培养箱内的塑料架上。培养箱用于遮挡光线，并在黑暗环境中维持25 °C温度，持续48小时。然而，由于植株生长长度变异较大，本实验最终未采用此条件。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>植物染色
	<ol>
		<li>将与步骤3.1.2相同条件下培养的整株凤仙花属（SPP）重瓣植株（包括茎和根）用4%多聚甲醛和0.1 M磷酸盐缓冲液（pH 7.4）固定15分钟。</li>
		<li>取出凤仙花样品，浸入封闭缓冲液（2%马血清/1%牛血清白蛋白/0.1% Triton X-100溶于PBS，pH 7.5）中孵育2小时。随后将样品浸入PBS中清洗15分钟。</li>
		<li>进行双重免疫荧光染色时，将样品与一抗anti-alpha tubulin（1:1,000）在4 °C下孵育过夜（O/N）。</li>
		<li>取出样品，用PBS浸洗一次，每次10分钟。以FITC标记的羊抗小鼠IgG（1:400）作为二抗，在25 °C下孵育2小时。</li>
		<li>将样品浸入PBS中，然后将其整体封片于24孔板底部。使用常规荧光显微镜观察微管蛋白取向（λ = 550 nm，放大倍数为100X、200X和400X）。 
		注意：本实验中仅对非黑暗条件下培养的磁处理组（n = 10）和对照组（n = 11）的凤仙（Impatiens balsamina）进行了验证。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 数据收集方法
<ol>
	<li>四种农作物生长过程的延时摄影制作
	<ol>
		<li>将相机快门设置为自动模式（任何数码相机均可实现），以每10分钟一次的频率对植物进行拍摄。光圈设置为F 3.2，ISO值设置为400。</li>
		<li>连续7至10天采集700至900张图片。由于电池可能耗尽，需将相机连接电源线供电。</li>
		<li>使用视频制作软件（参见材料与设备表），通过点击并拖拽的方式，按时间顺序将每张图片依次排列在时间轴上。每张图片持续时间为0.045至0.05秒，最终合成一段总时长为30至40秒的视频。检查时应按时间顺序逐一选中图片，确保画面之间无黑暗间隙。</li>
		<li>完成步骤4.1.3后，点击软件中的播放按钮，确认合成的影片为一段30至40秒的延时视频，然后点击渲染并保存为.mpeg或.avi格式。作为尺寸参照标记，可在照片侧面放置加拿大25分硬币、美国1分硬币以及厘米刻度尺。</li>
		<li>进行t检验和箱线图统计分析11,12。 
		注：采用五数概括法计算下限值（L）为Q1 - [1.5 × (Q3 - Q1)]，上限值（H）为Q3 + [1.5 × (Q3 - Q1)]。该方法已应用于步骤1.2.2中的长度数据采集11。L和H值表示T分布图中99%的数据区域，因此落在该范围之外的数据点可视为异常值。采用箱线图和学生氏t检验分析幼苗高度差异12。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Martin, F. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vitro+measurement+of+pollen+tube+growth+inhibition%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Physiol%22%5BJournal%5D)">In vitro measurement of pollen tube growth inhibition.</a> Plant Physiol. 49, 924-925 (1972).</li>
<li>Pfahler, P. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vitro+germination+characteristics+of+maize+pollen+to+detect+biological+activity+of+environmental+pollutants%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Health+Perspect%22%5BJournal%5D)">In vitro germination characteristics of maize pollen to detect biological activity of environmental pollutants.</a> Environ Health Perspect. 37, 125-132 (1981).</li>
<li>Yao, Z., Tan, X., Du, H., Luo, B., Liu, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+high-current+microwave+ion+source+with+permanent+magnet+and+its+beam+emittance+measurement%5BTitle%5D)+AND+%22Rev+Sci+Instrum%22%5BJournal%5D)">A high-current microwave ion source with permanent magnet and its beam emittance measurement.</a> Rev Sci Instrum. 79, 073304(2008).</li>
<li>Hendrickson, C. L., Drader, J. J., Laude, D. A., Guan, S., Marshall, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fourier+transform+ion+cyclotron+resonance+mass+spectrometry+in+a+20+T+resistive+magnet%5BTitle%5D)+AND+%22Rapid+Commun+Mass+Spectrom%22%5BJournal%5D)">Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry in a 20 T resistive magnet.</a> Rapid Commun Mass Spectrom. 10, 1829-1832 (1996).</li>
<li>Namba, K., Sasao, A., Shibusawa, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((EFFECT+OF+MAGNETIC+FIELD+ON+GERMINATION+AND+PLANT+GROWTH%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Hort%22%5BJournal%5D)">EFFECT OF MAGNETIC FIELD ON GERMINATION AND PLANT GROWTH.</a> Acta Hort. 399, 143-148 (1995).</li>
<li>Hirota, N., Nakagawa, J., Kitazawa, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+a+magnetic+field+on+the+germination+of+plants%5BTitle%5D)+AND+%22Journals+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Effects of a magnetic field on the germination of plants.</a> Journals of Applied Physics. 85, 5717-5719 (1999).</li>
<li>Penuelas, J., Llusia, J., Martinez, B., Fontcuberta, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diamagnetic+Susceptibility+and+Root+Growth+Responses+to+Magnetic+Fields+in+Lens+culinaris%2C+Glycine+soja%2C+and+Triticum+aestivum%5BTitle%5D)+AND+%22Electromagnetic+Biology+and+Medicine%22%5BJournal%5D)">Diamagnetic Susceptibility and Root Growth Responses to Magnetic Fields in Lens culinaris, Glycine soja, and Triticum aestivum.</a> Electromagnetic Biology and Medicine. 23, 97-112 (2004).</li>
<li>Carbonell, M. V., Martinez, E., Amaya, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stimulation+of+germination+in+rice+%28Oryza+Sativa+L.%29+by+a+static+magnetic+field%5BTitle%5D)+AND+%22Electro-+and+Magnetobiology%22%5BJournal%5D)">Stimulation of germination in rice (Oryza Sativa L.) by a static magnetic field.</a> Electro- and Magnetobiology. 19, 121-128 (2000).</li>
<li>Oakley, R. V., Wang, Y. S., Ramakrishna, W., Harding, S. A., Tsai, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Differential+expansion+and+expression+of+alpha-+and+beta-tubulin+gene+families+in+Populus%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Physiol%22%5BJournal%5D)">Differential expansion and expression of alpha- and beta-tubulin gene families in Populus.</a> Plant Physiol. 145, 961-973 (2007).</li>
<li>Hoson, T., Matsumoto, S., Soga, K., Wakabayashi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cortical+microtubules+are+responsible+for+gravity+resistance+in+plants%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Signal+Behav%22%5BJournal%5D)">Cortical microtubules are responsible for gravity resistance in plants.</a> Plant Signal Behav. 5, 752-754 (2010).</li>
<li>Kim, S., Im, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Static+magnetic+fields+inhibit+proliferation+and+disperse+subcellular+localization+of+gamma+complex+protein3+in+cultured+C2C12+myoblast+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+Biochem+Biophys%22%5BJournal%5D)">Static magnetic fields inhibit proliferation and disperse subcellular localization of gamma complex protein3 in cultured C2C12 myoblast cells.</a> Cell Biochem Biophys. 57, 1-8 (2010).</li>
<li>Benjamini, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Opening+the+Box+of+a+Boxplot%5BTitle%5D)+AND+%22The+American+Statistician%22%5BJournal%5D)">Opening the Box of a Boxplot.</a> The American Statistician. 42, 257-262 (1988).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

在所有条件下，磁铁应放置在培养皿下方。本研究探讨了磁场对多种农作物种子生长速率的影响，重点以凤仙花作为农业植物的代表。例如，对凤仙花进行了微管蛋白染色，以评估其根和茎骨架微结构在分子水平上的变化，从而提示磁场对其长度增殖的影响。在凤仙花的长期（7–10 天）随访研究中，分别应用了磁铁的N极和S极。另外三种植物——水菜（Brassica rapa var. japonica）、小松菜（Brassica rapa var. perviridis）和芝麻菜（Lepidium sativum）——则仅使用N极朝向的磁铁进行处理。此举旨在进一步验证静态磁场本身（而非磁极方向）是促进初期生长的主要因素。此外，增加物种数量有助于支持磁处理促进初期生长效应在农业植物中具有更广泛的适用性。
许多因素，例如营养、湿度、温度和光照，可能影响植物的生长速率3。这些因素在各处理组中均保持恒定。通过仅使用三蒸水进行培养，排除了营养补充的影响。我们首先控制光照条件——最初在黑暗条件下于培养箱中对凤仙花进行实验。在黑暗环境中的生长模式与光...

萌发是植物的生长过程，最终形成幼苗1在特定条件下，种子萌发开始，胚胎组织恢复生长。萌发起始于种子吸水，以激活萌发所需的酶。可通过人工诱导使种子萌发 体外 （在培养皿或试管中）1,2.
静磁场是一种特殊的作用力，可通过洛伦兹力3,4引起带电离子分子的运动。当带电或离子化的物体在磁场中运动时，就会产生洛伦兹力。所有物质均由原子构成，而原子由电子和质子组成。当存在磁场时（无论是静态还是交变磁场），都会影响带电物质的运动。这一现象同样适用于植物和水分子，从而影响细胞内的分子状态。在之前的一项研究中，使用电磁线圈产生脉冲磁场，并以“小松菜”（Komatsuna）植物作为研究对象5。在本研究中，采用磁体产生的静磁场，以期产生类似但不同的效应，作为洛伦兹力扩展研究的一部分。
磁场的频率而非其极性是影响植物萌发的关键因素。先前的研究表明，当磁场频率约为10 Hz时，萌发率比对照组高出20%。若以逆向方式撤除磁场，生长速率会受到抑制5。静态磁场对初期生长具有显著影响6-8，主要体现在萌发过程6和根系生长7上。
在本研究中，我们使用静态磁体来探究利用磁场调控农作物生长的可能性。具体而言，我们旨在确定特定的磁场处理条件是否能够使植物生长速率提高到超过文献中所报道的水平。此外，如果能够成功利用磁场提高植物的初始萌发率，则有望避免使用化学肥料。

<table><tbody><tr><td>静态磁铁</td><td>JIM</td><td></td><td>2000高斯</td></tr><tr><td>2% 马血清/1% 牛血清白蛋白/0.1% Triton X-100</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>与55514合并</td><td>封闭缓冲液</td></tr><tr><td>一抗</td><td>Santa Cruz Biotechnology</td><td>sc-8035</td><td>a-Tubulin</td></tr><tr><td>二抗</td><td>Santa Cruz Biotechnology</td><td>sc-2010</td><td>FITC标记的抗小鼠IgG</td></tr><tr><td>延时摄影技术</td><td>手动控制</td><td></td><td>ISO值400 &amp; 光圈F 3.2</td></tr><tr><td>Sony Vegas Pro 13.0</td><td>Sony</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

利用静态磁场促进农作物初期生长速率

Enhancement of the Initial Growth Rate of Agricultural Plants by Using Static Magnetic Fields

电子设备和高压电线会产生磁场。本实验对含有凤仙花（Impatiens balsamina）、水菜（Brassica rapa var. japonica）、小松菜（Brassica rapa var. perviridis）和混合生菜（Lepidium sativum）种子的培养皿施加了1,300–2,500高斯（0.2特斯拉）的磁场。我们将磁体置于培养皿下方。在持续4天的磁场处理期间，观察到茎和根的长度增加。在总共8天的培养时间内，接受磁场处理的实验组（n = 10）的生长速率比对照组（n = 11）快1.4倍（p &#60;0.0005）。该增长率比以往研究报道的结果高出20%。微管蛋白复合物的线条在正常情况下具有连续的连接点，但在施加磁场后，连接点消失。这与对照组存在明显差异，表明出现了异常排列，但其确切原因尚不明确。本实验中磁场促进植物生长的结果表明，通过施加静态磁场，有可能提高植物的生长速率、增加产量或调控发芽速度。此外，磁场可引起植物细胞的生理变化并促进生长。因此，磁场刺激可能产生类似于化学肥料的作用效果，意味着有望减少对化肥的依赖。

微管蛋白染色显示，在存在磁体的条件下生长的植物中，微管结构呈现弥散或变薄，与对照组相比存在差异（图2）。此外，对农业植物（包括小松菜（Brassica rapa var. perviridis）和混合生菜（Lepidium sativum））进行的为期7天的延时研究结果表明，由磁体产生的静态磁场可促进这些植物的初期生长（图3）。
这些结果表明，暴露于磁场的组别表现出显著的生长变化（图1）。在黑暗环境中生长的植物未显示出任何差异，说明在为期7天的延时实验中，仅光照条件具有适用性。本研究使用了三种具有代表性的农业植物，但也可纳入更多植物种类。作物及其他植物均可采用相同方案进行研究。既往研究表明生长率提高了20%，而本实验结果显示出1.4倍的增长，即提高了40%。因此，施加静态磁场的磁体比施加交变磁脉冲更为有效。
...

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。

电子设备和高压电线会产生磁场。将1,300–2,500高斯（0.2特斯拉）的磁场施加于含有……的培养皿

本实验的总体目标是利用静磁场促进植物的生长速率。该方法有助于解答农业和营养医学领域中有关食品生产技术的关键问题。该技术的主要优势在于无需消耗任何能源或使用肥料。首先，将凤仙花（Impatiens balsamina）或俗称的指甲花种子分别放置在直径为100毫米的培养皿中的纤维素毛巾上进行培养。然后，将毛巾和种子浸入三蒸水中。测量并确认室内实验室温度为18至25摄氏度，湿度范围为65%至75%。在指甲花培养皿底部下方放置三个磁场强度为1,750 ± 350高斯的磁铁，使种子与磁铁之间的距离保持在2至4毫米之间。接下来，在第二个种子培养皿下方放置三块磁铁，将两块磁铁叠放在一起，上方磁铁的北极朝上，下方磁铁的南极朝上。然后将这两块磁铁一同放置在凤仙花培养皿的底部。为了获得植物生长的延时图像，在按照文本方案设置好数码相机以拍摄植物图像后，需在视野侧面放置尺寸标记物，例如加拿大25分硬币、美国1分硬币以及一把厘米尺。随后，在7到10天内采集700至900张图像。根据文本方案，使用视频制作软件将图像合成为延时视频，并播放视频以进行验证。按照本视频前面演示的方法，将种子接种在纤维素毛巾上后，将两块磁极朝上的磁铁置于100毫米培养皿底部，并在其中培养48小时。为了对植株进行染色，将整个凤仙花属（SPP）重瓣植株放入含4%多聚甲醛和0.1摩尔快速固定缓冲液的溶液中，固定15分钟。将植株样品转移至封闭缓冲液中，孵育2小时。然后，将凤仙花样品浸入PDS中洗涤15分钟。洗涤后，加入抗α-微管蛋白一抗，在4摄氏度下孵育过夜。次日，将样品转移至PBS中，孵育10分钟。随后，将植物材料置于FITC标记的抗小鼠IgG中，在25摄氏度避光孵育2小时。孵育结束后，将样品浸入24孔板孔内的PBS中，并在整个样品上覆盖盖玻片。然后使用荧光显微镜观察湍流方向。该图显示，在黑暗生长条件下，凤仙花植物在暴露于静态磁场时仅表现出生长率的轻微增加。然而，当植物在光照条件下生长时，磁场与生长速率的增加相关。在第3天，暴露于磁场的植物与对照组之间的株高差异具有统计学意义，且该差异持续至第7天。这些荧光图像显示，与对照组植物相比，在磁场存在条件下生长的植物中，荧光结构发展为分散或纤细的形态。若操作得当，掌握该技术后可在 72 小时内完成。进行该实验时，重要的是要控制磁体的强度。采用此方法后，可将其应用于其他模式生物，以回答更多问题，例如田间生长增强的遗传基础。该技术在建立后，为营养医学领域的研究人员探索营养富集和植物生长的关键调控因子铺平了道路。观看本视频后，您应能充分理解如何利用磁体促进植物的初期生长。请注意，直接接触磁体操作可能极为危险，且湿度等环境条件可能导致铁质材料腐蚀，在执行此操作时应始终予以考虑。

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