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El agua es transportada desde las raíces de las plantas a las hojas en un tejido vascular llamado xilema - una red de conductos interconectados, fibras, y las células vivas, metabólicamente activas. Función Transporte de xilema planta se debe mantener para suministrar nutrientes y agua a las hojas para la fotosíntesis, crecimiento y supervivencia en última instancia. Transporte por agua en los conductos del xilema puede ser interrumpido cuando la red xilema se ve comprometida por organismos patógenos. En respuesta a las plantas tales infecciones a menudo producen geles, gomas, y tilosas como un medio para aislar la diseminación de patógenos (por ejemplo McElrone et al 2008; 2010). La sequía también puede limitar el transporte de agua en el xilema. Mientras que las plantas pierden agua durante una sequía prolongada, la tensión se acumula en la savia del xilema. Agua bajo tensión es metaestable (es decir, en un determinado umbral de la tensión aumenta lo suficiente como para cavitar columnas de agua contenidas en los conductos del xilema). Después de la cavitación se produce una burbuja de gas (embolia) pueden formar y llenar las conduit, bloqueando efectivamente el movimiento del agua (Tyree y Sperry, 1989), un fenómeno análogo a la enfermedad de descompresión (es decir, "the bends") en buzos de aguas profundas.
A pesar de la importancia del transporte por el xilema el agua para la función óptima de la planta, como lo demuestra un vasto cuerpo de literatura histórica y contemporánea sobre el tema (Tyree y Zimmermann, 2002;. Holbrook et al, 2005), todavía hay aspectos de las redes de xilema que sigue siendo difícil . Varios grupos de investigación han comenzado a utilizar recientemente alta resolución radiografía computarizada micro-tomografía computarizada (HRCT) para evaluar los detalles más finos de la anatomía de la madera y el tejido vascular (por ejemplo Mayo et al; 2010, 2008; Mannes et al 2010;. Brodersen et al 2010. , 2011, 2012A, b; Maeda y Miyake, 2009; Estepa et al 2004).. HRCT es una técnica no destructiva utiliza para visualizar características en el interior de cuerpos sólidos y para obtener información digital en 3-D de sus propiedades estructurales. TCARdifiere del médico convencional CAT-exploración en su capacidad para resolver detalles tan pequeños como una micra de tamaño, incluso para objetos de alta densidad. Los recientes avances en la tecnología de sincrotrón HRCT han mejorado resolución de imagen y de señal a ruido suficiente para que redes de planta de los vasos y las conexiones intervasculares puede ser visualizado, asigna coordenadas 3D, y se exportan para simulaciones de modelos hidráulicos. Brodersen et al. (2011) recientemente avanzó esta técnica mediante la combinación de reconstrucciones 3D generados por sincrotrón HRCT con un modelo de Fortran que extrae automáticamente los datos de la red de xilema una resolución mucho más alta que nunca fue posible con los métodos tradicionales de serie anatómicas (es decir, corte con un microtomo y captura de imágenes con microscopía de luz, por ejemplo Zimmermann 1971). Este trabajo también ha sido utilizado para optimizar los modelos hidráulicos del sistema de xilema y se identificaron las características únicas de transporte (es decir, flujo inverso en algunos hessels durante los períodos de transpiración pico) (Lee et al., en revisión).
Sincrotrón HRCT ahora se puede utilizar para visualizar la funcionalidad de xilema, la susceptibilidad a la cavitación, y la capacidad de las plantas para reparar conductos embolizados. La imposibilidad de re-establecer el flujo en conductos embolizados reduce la capacidad hidráulica, la fotosíntesis límites, y resulta en muerte de la planta en casos extremos (McDowell et al. 2008). Las plantas pueden hacer frente a embolias mediante el desvío de agua alrededor de las obstrucciones a través de pozos de conexión adyacentes conductos funcionales, y por la creciente xilema nueva para reemplazar la capacidad perdida hidráulica. Algunas plantas tienen la capacidad de reparar roturas en las columnas de agua, pero los detalles de este proceso en el xilema bajo tensión se ha mantenido claro por décadas. Brodersen et al. (2010) recientemente visualizar y cuantificar el proceso de recarga en vid en directo mediante TCAR. Recipiente de rellenado éxito depende de afluencia de agua de las células vivas que rodea el xylem conductos, donde las gotas de agua individuales se expandieron a través del tiempo, los vasos llenos, y obligó a la disolución del gas atrapado. La capacidad de las diferentes plantas para reparar comprometidos vasos del xilema y de los mecanismos que controlan estas reparaciones están siendo investigados.
Descripción de la instalación de la línea de luz ALS 8.3.2
Nuestro trabajo hasta la fecha ha llevado a cabo en el Hard X-ray Micro-Tomografía línea de luz 8.3.2 en la Fuente Avanzada de Luz en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley CA, EE.UU.). Las muestras de plantas se colocan en un forrado de plomo conejera situado a 20 m de la fuente de rayos X, generado por un imán superconductor 6 Tesla curva dipolo dentro de la Fuente Avanzada de Luz operativo anillo de electrones almacenamiento a una energía crítica de 11,5 KeV. Un esquema de la estación final se muestra en la figura 1. Los rayos X de entrar en la cabina con un tamaño de haz de 40x ~ 4,6 mm y pasar a través de la muestra que está montado en una etapa giratoria motorizada. Latransmitida rayos X inciden en un contador de centelleo de cristal (dos materiales normalmente utilizados son LuAG o CdWO 4) que convertir los rayos X en luz visible que se transmite a través de las lentes en un CCD para la recogida de imagen. La cámara, centelleador y la óptica están contenidos en una caja de luz que es apretado sobre raíles que permite que la distancia de muestra a centelleador para ser optimizado para formación de imágenes de contraste de fase.
Todas las muestras se montan en la etapa 10 cm de diámetro giratorio que a su vez está montado en etapas traslación horizontal y vertical para la colocación de la muestra. Una muestra de la planta de té, con el sistema de la raíz montado en un soporte personalizado construido maceta y el follaje contenida en un tubo de acrílico, se puede ver en la Figura 2. Los tiempos típicos de exposición puede variar desde 0,1 hasta 1 seg usando 10-18 KeV, y duraciones de exploración variará 5 a 40 min dependiendo de los ajustes optimizados para una muestra particular. Para las muestras de altura (típico de las redes de xilema de la planta), exploraciones de datos puede serbaldosas repitiendo la medición con la muestra a diferentes alturas, que se controla automáticamente, permitiendo sin costura de serie de secciones a lo largo de una altura de muestra máxima de ~ 10 cm. Anchura máxima de la muestra cuando la imagen a una resolución de 4,5 m es de ~ 1 cm para las muestras que son casi perfecta en orientación vertical. Generación y procesamiento de datos se completa usando el protocolo enumeran a continuación. Debido a la diferencia en la atenuación de los rayos x entre el aire y el agua, excelente contraste de imagen se puede conseguir en las plantas sin el uso de soluciones de contraste típico de los sistemas médicos de CT. La luz del vaso lleno de aire es fácilmente distinguible de la circundante llena de agua del tejido en las plantas hidratadas.