Aufbau und Betrieb einer Dauer 13 C und 15 N Labeling Kammer für Uniform oder Differential, Stoffwechsel-und Struktur, Pflanze Isotope Labeling

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, Pflanzenmaterial herzustellen, das gleichmäßig in der gesamten Pflanze oder unterschiedlich in Struktur- und Stoffwechselgeweben stark mit Kohlenstoff 13 und Stickstoff 15 angereichert ist. Dies wird erreicht, indem zunächst eine luftdichte Kammer für das Pflanzenwachstum konstruiert wird. Der zweite Schritt besteht darin, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Kohlendioxidgehalt in der Kammer zu kontrollieren, um geeignete Wachstumsbedingungen für die Pflanzen aufrechtzuerhalten.

Anschließend werden die Pflanzen in der verschlossenen Kammer mit Luft mit 13 °C Luft, Kohlendioxid und Bewässerung und Düngung mit Stickstoff 15 gezüchtet. Der letzte Schritt besteht darin, die Markierung zu beenden, indem die differentiell markierten Pflanzen Wochen vor der Ernte aus der Kammer genommen werden, so dass ihr Stoffwechselmaterial weniger mit Kohlenstoff 13 und Stickstoff 15 angereichert wird. Im Vergleich zu den strukturellen Pflanzenkomponenten nach der Ernte des Pflanzenmaterials, der Heißwasserextraktion und dem Isotopenverhältnis wird die Massenspektrometrie zur Messung der Gesamtisotopenmarkierung und der Unterschiede in der Markierungsstärke eingesetzt.

Der Hauptvorteil der kontinuierlichen Markierung gegenüber anderen Methoden, wie z. B. der Blattapplikation oder der wiederholten Impulsmarkierung, besteht darin, dass einheitlich markiertes Pflanzenmaterial erzeugt wird, das in seinen metabolischen oder strukturellen Komponenten unterschiedlich markiert werden kann. Um mit diesem Verfahren zu beginnen, bauen Sie die Beschriftungskammer wie im begleitenden Textprotokoll beschrieben, indem Sie 3,18 Millimeter dicke transparente Acrylwände und eine 6,35 Millimeter dicke transparente Acryldecke auf einem Aluminiumrahmen mit einem weiß lackierten Stahlboden montieren, wobei die Abmessungen der Kammer an die spezifischen Bedürfnisse des Pflanzenwachstums angepasst werden können. Die hier gezeigte Kammer misst 1,2 x 2,4 x 3,6 Meter und fasst 40 15-Liter-Töpfe. Stellen Sie sicher, dass die Kammer luftdicht ist, indem Sie alle Nähte mit ausreichendem Silikondichtmittel abdecken.

Montieren Sie die Tür auf Maschinenschrauben, die mit abnehmbaren Flügelmuttern auf- und abgedreht werden können. Versiegeln Sie die Tür mit Dichtungsstreifen, um ein Austreten von Luft in einem Bereich direkt neben der Etikettierkammer zu verhindern. Montieren Sie das Kontrollzentrum am Monitor und stellen Sie die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit und das Kohlendioxid in der Kammer ein.

Stellen Sie sicher, dass die elektrischen Drähte und Gasschläuche, die in die Kammer führen, gut mit Silikon abgedichtet sind, um ein Austreten von Luft zu verhindern. Fügen Sie der Kammer optional Lichter hinzu, um die Lichtdurchlässigkeit zu erhöhen und die Tageslänge zu steuern Zur Regulierung der Kammertemperatur. Installieren Sie eine handelsübliche Split-Klimaanlage, bei der sich die Verdampferschlangen in der Kammer und die Kompressor- und Kondensatorschlangen außerhalb der Kammer befinden, um die Wärme abzuführen.

Installieren Sie als Nächstes einen kleinen Raumluftentfeuchter in der Kammer. Bohren Sie ein Loch durch den Boden neben dem Luftentfeuchter und führen Sie den Abflussschlauch vom Luftentfeuchter durch das Loch in ein mit Wasser grundiertes Glas. Dadurch wird ein luftdichter Verschluss für den Abfluss geschaffen und der Druck E-Ausgleich zur Regulierung der Luftfeuchtigkeit in der Kammer ermöglicht, indem eine programmierbare Steuerung wie eine Omega Eye-Serie mit einem Feuchtigkeitssensor an den Luftentfeuchterbrand angeschlossen wird.

Installieren Sie dann einen Infrarot-Gasanalysator oder ER A mit einer Membranpumpe, die kontinuierlich Luft aus der Kammer durch den ER A und zurück in die Kammer saugt. Dadurch bleibt ein geschlossenes System erhalten, während die Kohlendioxidkonzentration in der Kammer kontinuierlich überwacht wird. Verbinden Sie als Nächstes zwei Tanks mit reinem Kohlendioxidgas mit dem Kohlendioxid-Kontrollsystem.

Einer der Tanks sollte 10 Atomprozent Kohlendioxid enthalten, 13 °C Kohlendioxid oder höher, und der andere sollte natürliche Mengen enthalten. 13 °C Kohlendioxid. Stellen Sie die Tankregler auf 20 PSI ein, nachdem die Regler Magnetventile in die Gasleitungen eingesetzt haben, um die Kohlendioxideinspritzung durch die Ergo-Software zu steuern.

Steuern Sie das Öffnen und Schließen der Magnetventile, indem Sie sie über ein Halbleiterrelaisprogramm an den ER rga anschließen. Ein niedriger Alarm in der ergas-Software, um das Öffnen der Magnetventile auszulösen, wenn die Kohlendioxidkonzentration in der Kammer unter einen bestimmten Wert fällt, und eine Sackgasse zum Schließen der Ventile. Sobald die Kohlendioxidkonzentration einen oberen Sollwert erreicht. Nach den Magnetventilen wird an jeder der beiden Gastankleitungen ein Dosierventil angebracht und diese vorsichtig auf den gewünschten Kohlenstoff-13-Anreicherungsgrad in der Atmosphäre eingestellt.

Hier verwenden wir eine Anreicherung von 4,4 Atomprozent Kohlenstoff-13. Verbinden Sie die Auslässe miteinander und verrohren Sie schließlich die Leitung in die Mitte der Kammer zwischen den Ventilatoren, was dazu beiträgt, das markierte Kohlendioxid gleichmäßig in der Kammer zu verteilen, um das Bewässerungssystem einzurichten. Stellen Sie zunächst einen Tropfbewässerungsring pro Topf her und führen Sie den Bewässerungsschlauch durch ein kleines Loch in der Kammerwand nach außen.

Versiegeln Sie dann die Löcher um den Bewässerungsschlauch mit Silikondichtungen, um ein Austreten von Luft an der Außenseite der Kammer zu verhindern. Verbinden Sie den Bewässerungsschlauch mit dem Schlauch der Schlauchpumpe und platzieren Sie eine kleine Schlauchschelle darauf, um ein Austreten von Luft zwischen den Bewässerungen zu verhindern. Keimen Sie vor dem Pflanzen in Töpfe, um die Lebensfähigkeit zu gewährleisten. Impfen Sie die Sämlinge mit frischer Erde. Um nützliche Mikroben einzuführen, füllen Sie die Töpfe mit einer erdfreien Blumenerde, um die Einführung von unmarkiertem Kohlenstoff und Stickstoff aus der Erde zu verhindern.

Hier verwenden wir eine Mischung aus Sand, Vermiculit und einer porösen Profilkeramik. Sobald die Samen gekeimt sind, pflanzen Sie die Sämlinge vorsichtig mit minimaler Blumenerde in die Töpfe um. Schieben Sie dann die Töpfe in die Kammer und montieren Sie jeden Topf mit einem individuellen Bewässerungsschlauch

Verschließen Sie abschließend die Tür zur Kammer und waschen Sie das externe Kohlendioxid, indem Sie einen Kalknatronwäscher an die Luftpumpe anschließen, bis die Kohlendioxidkonzentration auf mindestens 200 bis 250 ppm gesunken ist. Vor dem Befüllen der Kammer wieder auf bis zu 400 Teile pro Million. Versuchen Sie mit der 13-C-Kohlendioxidtankmischung, die Kammer während der gesamten Vegetationsperiode geschlossen zu halten, um die natürliche Kohlendioxidkontamination zu minimieren.

Markieren Sie zuerst eine Hyland-Düngemittellösung mit Stickstoff 15, indem Sie 98 Atomprozent Stickstoff, 15 Kaliumnitrat mit natürlichem Stickstoff und 15 Kaliumnitrat mischen und es dann zum Rest der Einhängelösung hinzufügen. Hier verwenden wir eine sieben Atomprozent Stickstoff 15 Lösung zum Düngen. Verwenden Sie eine Schlauchpumpe, um die mit Stickstoff 15 markierte Düngerlösung durch die Bewässerungsschläuche zu leiten.

UNC klemmt die Bewässerungsschläuche und gibt je nach Bedarf und Versuchsplanung unterschiedliche Mengen Dünger an die einzelnen Pflanzen ab. Pumpen Sie dann Wasser durch die Schläuche, um den Dünger aus den Bewässerungsschläuchen zu spülen. Die Gesamtmenge der zugegebenen Flüssigkeit sollte die Wasseraufnahmekapazität der Töpfe nicht überschreiten, um den Düngerabfall zu minimieren.

Rec-Klemme, alle Schläuche nach der Düngung und Bewässerung, um Luftleckagen in der Kammer zu vermeiden. Für eine differenzielle Markierung von strukturellen und metabolischen Komponenten nehmen Sie die Pflanzen ein bis drei Wochen vor der Ernte aus der Markierungskammer. Bewahren Sie Pflanzen, die einheitlich beschriftet werden sollen, bis zur Ernte in der Kammer auf.

Um Seneszenz zu induzieren. Beenden Sie einfach die Bewässerung, wenn Sie bereit sind. Ernten Sie die Pflanzen, indem Sie zuerst die oberirdische Biomasse abschneiden.

Nach der Ernte der oberirdischen Biomasse gießen Sie die Blumenerde und die Wurzeln über ein sechs Millimeter großes Kernsieb aus, um die Wurzeln von der Blumenerde zu trennen. Spülen Sie dann die Wurzeln über einem zwei Millimeter Sieb ab, um restliches Blumenmaterial zu entfernen. Verwenden Sie bei Bedarf eine Pinzette, um die Blumenerde zu entfernen, die an den Wurzeln unsicher sein könnte, und lassen Sie die Wurzeln dann an der Luft trocknen, um zukünftige Experimente vorzubereiten.

Während der drei Vegetationsperioden des Betriebs hat die Kammer erfolgreich die Temperatur zwischen 26 und 29 Grad Celsius, die Luftfeuchtigkeit zwischen 36 und 56 % und die Kohlendioxidkonzentration zwischen 360 und 400 Teilen pro Million gehalten, wie sie im Kontrollzentrum eingerichtet wurden. Hier sind repräsentative Ergebnisse aus der Vegetationsperiode 2011 von Andra Pogon Girard di. Die Kohlendioxidansammlung während der nächtlichen Atmung scheint den wachsenden Pflanzen nicht zu schaden und wird nach Sonnenaufgang schnell wieder aufgenommen.

Die Stickstoff-15-Markierung durch die gezielte sieben Adamprozent Stickstoff 15 Hoglin Lösung produzierte stark markiertes Pflanzenmaterial mit 6,7 Atomprozent Stickstoff 15, eine leichte Verdünnung von der angestrebten Stickstoff 15 Markierung kann durch einen natürlichen Überfluss an Stickstoff in der Blumenerde oder durch die native Bodenimpfung verursacht werden. Die Kohlenstoff-13-Markierung mit einem angestrebten Kohlendioxidgehalt von 4,4 Atomprozent 13 C ergab 4,46 Atomprozent, Kohlenstoff 13. Während der gesamten Einstreu des einheitlich markierten Pflanzenmaterials wiesen die unterschiedlich markierten Pflanzen, die sieben, 14 oder 22 Tage vor der Ernte aus der Kammer entnommen wurden, einen signifikanten Unterschied in Kohlenstoff-13 und Stickstoff auf.15.

Gehalt an metabolischen Bestandteilen, die als Heißwasserextrakte gewonnen werden, und an Strukturbestandteilen, die als Rückstände von Heißwasserextrakten gewonnen werden, was auf eine unterschiedliche Markierung von metabolischem und strukturellem Pflanzenmaterial hinweist. Nach ihrer Entwicklung hat die kontinuierliche duale Isotopenmarkierung den Weg für Forscher in der Biogeochemie geebnet, um das Schicksal und die Umwandlung von Pflanzenbestandteilen in der Umwelt auf der Makro- und Nanoskala zu erforschen.