Waiting
Traitement de la connexion…

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Environment

植物の氷核と氷伝播の研究のための高解像度赤外線サーモグラフィ(HRIT)の使用

Published: May 8, 2015 doi: 10.3791/52703

Introduction

植物が活発に増殖している場合に発生する凍結温度は、植物がほとんど、あるいは全く凍結耐性を持っている場合は特に、致死することができます。このような霜のイベントは、多くの場合、農業生産に壊滅的な影響を持っていると、特に高山、サブ北極および北極の生態系1-6に、植物の自然集団におけるコミュニティ構造を形成する上で重要な役割を果たすことができます。深刻な春の霜のエピソードは、近年7-9でアメリカと南アメリカの果実生産に大きな影響を持っていた、より一般的な平均低温が続く暖かい天候の早期発症によって悪化されています。初期の暖かい天気がない霜耐性1,3,10-12にはほとんど持っているすべてのそれらの新芽、葉、花の成長を活性化し、破壊するために芽を誘導します。このような不安定な天候パターンは、進行中の気候変動の直接的反映であることが報告されており、foresための一般的な天候パターンであることが予想されますeeable今後13。増加霜耐性を提供することができ、経済的で効果的、かつ環境に配慮した経営手法や農薬を提供する努力は、理由のホストのための限られた成功を収めているが、これは、部分的に凍結耐性植物に回避メカニズムを凍結の複雑な性質に起因することができます。 14

植物における霜の生存に関連する適応メカニズムは、伝統的に凍結耐性と回避を凍結、2つのカテゴリに分類されています。前者は、植物が存在し、その組織中の氷の脱水効果に関連する応力を許容することができ、遺伝子の特定のセットで規制生化学的機構に関連しています。後者は、典型的であるが、単独で、プラント14であれば、氷の形を決定し、植物の構造的側面 ​​と関連しないが。広告としての凍結回避の有病率にもかかわらず、aptive機構は、少し研究は、基礎となるメカニズム、凍結回避の調節を理解する最近で専念してきました。読者は、この問題に関するより詳細のための最近の総説15と呼ばれています。

低温での氷の形成は簡単なプロセスのように見えるかもしれないが、多くの要因が植物組織中での氷の核形成温度を決定することに寄与し、それが工場内に広がりますか。このような外因性および内因性の核の氷の存在などのパラメータ、不均一な対均一核イベント、熱ヒステリシス(不凍液)タンパク質、特定の糖および他のオスモライトの存在、および植物の構造的側面のホストがすべての重要なを再生することができます植物における凍結過程における役割。まとめると、これらのパラメータは、氷が開始され、それがどのように成長される植物は、凍結する温度に影響を与えます。また、得られた氷結晶の形態に影響を与えることができます。種々の方法は、磁気共鳴イメージング(MRI)17、低温顕微鏡18-19、低温走査型電子顕微鏡(LTSEM、核磁気共鳴分光法(NMR)16を含む実験室条件下で植物における凍結過程を研究するために使用されています)。実験室とフィールドの設定で、植物全体の20凍結は、しかし、主に熱電対を用いて監視されています。凍結を研究するための熱電対の使用は、水が液体から固体への相転移を受ける熱の放出(融解エンタルピー)に基づいています。凍結次に、発熱事象として記録される。21-23を熱電対は、植物中で凍結研究において選択される典型的な方法であるにもかかわらず、その使用は、凍結事象の間に得 ​​られた情報の量を制限する多くの制限を有します。例えば、熱電対とそれがどのように伝播するか、氷が植物で開始されている場所を特定することはほぼ不可能に困難であり、それも速度で伝播している場合、一部の組織は、氷のない残っている場合。

高解像度の赤外線サーモグラフィ(HRIT)24-27の進歩は、しかし、差動撮影モードで使用する場合は特に、植物全体で凍結プロセスに関する情報を取得する能力を大幅に増加している。28-33本報告書では、凍結プロセスの様々な態様およびどこで、どのような温度で氷植物において開始される様々なパラメータに影響を研究するためのこの技術の使用を記載しています。プロトコルは高い、零下の温度での草本植物での凍結開始外因性核剤として作用する氷核活性(INA)細菌、 シュードモナスシリン (CIT-7)の能力を実証することが発表されます。

高解像度赤外線カメラ

このレポートに記載されたプロトコルおよび実施例は、高解像度の赤外線を利用しますビデオ放射計。放射計( 図1)は、赤外線および可視スペクトル画像と温度データの組合せを供給する。カメラのスペクトル応答は、7.5から13.5ミクロンの範囲であり、640×480ピクセルの解像度を提供します。内蔵カメラで生成された可視スペクトルの画像が複雑な、熱画像の解釈を容易にする、リアルタイムでのIR画像と融合させることができます。カメラ用レンズの範囲は、クローズアップ、顕微鏡観察を行うために使用することができます。カメラは、スタンドアロンモードで使用、またはpropietaryソフトウェアを使用してラップトップコンピュータとインターフェースし、制御することができます。ソフトウェアが記録されたビデオに埋め込まれた温度データの様々な得るために使用することができます。これは、赤外線放射計の多種多様な商業的に入手可能であることに注意することが重要です。したがって、研究者が知識豊富な製品エンジニアとの意図された用途を議論していることと、研究者は、任意の仕の能力をテストすることが不可欠ですC放射計は、必要な情報を提供します。記載されているプロトコルで使用される撮像放射計は、アクリルボックスに発泡スチロールI N温暖化と冷却のプロトコルの間に結露への暴露を抑止するためで絶縁( 図2)が配置されています。この保護は、すべてのカメラやアプリケーションのために必要とされません。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

植物材料の調製

  1. 対象植物材料( ギボウシ属またはインゲンマメ )のいずれかの葉や植物全体を使用してください。

氷核活性(INA)細菌を含有する水溶液の調製

  1. メーカーの方向に100%グリセロールを10g / Lを用いて調製シュードモナス寒天Fに25℃でペトリ皿で培養INA菌、 シュードモナスシリン (株CIT-7)。
  2. 必要になるまで培養した後、十分に4℃の場所に成長しているが、氷核活性の高いレベルを確保する前に2日間4℃で維持。
  3. 使い捨て、プラスチックで寒天の表面から一枚板からの細菌を掻き取りまたは再利用可能な金属へらを使用して場所の時に脱イオン水を10〜15ミリリットルに25ミリリットルの使い捨てキュベットに。濃度が1×10 9〜1×10 7の範囲であるべきです。· -1。溶液が濁って表示されます。濃度はおおよそのことのみ必要があるとして、血球計または分光光度計を用いて濃度を確認する必要はありません。
  4. 細菌を配布する10秒の最低キュベットを渦。
    注:結果INA混合物の特定の濃度は重要ではなく、記載されているプロトコルは、氷核活性の適切なレベル以上のものを提供します。 INA菌とこの水の混合物を、核実験の後半で使用されます。

3.凍結実験のセットアップ

  1. 保護アクリルボックス内の高解像度赤外線カメラ(SC-660)を配置しているので、箱の前面の開口部を介してレンズのプロジェクトやボックスの後部開口部を介してノートパソコンや記録装置出口にカメラを接続する配線。箱の蓋を固定して、そのすべての意志の場所に環境室や冷凍庫の内部にボックスを配置OW主題植物材料が見られます。
    1. 反射された赤外線エネルギーからの干渉を防止するために、黒画用紙にチャンバの壁の内側を覆うことにより、植物材料の周りに暗い背景を提供します。
    2. 可視波長での記録画像が必要とされる場合、光源からの発熱を最小限に抑えるためにLED照明でチャンバーを取り付けます。植物がカメラで見えるようにするために、このようなバッテリ駆動クローゼット光または他の小型LED素子としての照明の唯一の最小値は、必要とされます。
      1. 対象植物材料の可視画像が撮影されると、LED照明をオフにします。ポートまたはチャンバ内の他の開口を介して、カメラへのすべての外部有線接続(コンピュータにFireWire接続、電源コードなど)を配布します。
    3. チャンバ内の温度勾配を回避または低減するために発泡絶縁材料を使用してポートまたは開口部に余分なスペースを埋めます。 1℃のチャンバーの初期温度を設定します。
  2. 植物材料は、カメラの視野内にあり、植物材料は、リモート表示画面または選択されたソフトウェアの中に表示されるように、植物または植物の部分を合わせ。
  3. 植物は、従来の制御凍結実験を開始する、植物材料の大きさに応じて、1時間に30分1℃で平衡化することを可能にします。これは、凍結実験が開始されると、植物の温度は何度により空気温度に遅れないことを保証します。植物材料の温度が空気温度の0.5℃以内である場合に平衡が達成されます。
    1. 鉢植えの植物を使用する場合には鉢植えの土の上に発泡スチロール断熱材の層を配置します。植物が平衡化した後は、室内の冷却開始。
      注:ポットの土壌表面上に絶縁層が植物の周囲の空気をポットから継続熱損失の量を低減し、FREから根を防ぎezing、このように一般的に起因する土壌中の残留熱本の巨大なタンクに自然の中で霜イベント中に発生しません。
  4. 3.4.1-3.4.4で説明したように、所望のカメラパラメータ(カラー·パレット、温度範囲、関心の特定の領域など設定します。
    1. ライブ画像を見ながら温度変化を表示するには、虹のパレットを選択します。
    2. ソフトウェアだけで画像の下に配置された温度·バーを調整することにより、5℃に温度スパンを設定します。
    3. 選択されたパレット(レインボー)で定義されているように擬似カラー画像に赤外線データを変換するためのリニアスケール(アルゴリズム)を選択し、5℃に温度の範囲を設定し、画像に基づいて自動的に追跡します。実験を行いながら別の方法として、手動で設定された範囲を調整します。
      1. SOFTWが提供する目的の定義された領域内の特定の点の温度または平均温度を使用してくださいです。 。記録されたビデオシーケンスから、または画像ファイルに埋め込 ​​まれた情報から、全ての画素の温度データを取得する3 ResearchIRソフトウェアの中から代表的なスクリーンショットを示します
    4. 興味のある特定のポイントを表す植物組織上の位置にカーソルを置きます。ポイント(サイズは1 -3画素)、ボックス、線、楕円、または円として関心領域を定義します。ポイントまたは形状の複数の組み合わせは、画像の上に配置することができます。
  5. ビデオシーケンスを記録します
    1. 60 Hzで、記録を手動で停止されるのを記録するためにカメラを設定します。
    2. 録画したビデオファイルが配置されるコンピュータまたは外部ドライブ上の場所を示しています。
    3. 録音開始。
      注:大規模なビデオファイルが生成されますので、外付けハードドライブへの録音を強くお勧めします。録画したビデオファイルは、後にNEを含む部分のみを含むように編集することができますcessary情報。これは、大幅にファイルサイズを小さくします。
    4. 0.5 -1.0°Cで増分室の温度を下げます。植物の温度が空気温度と平衡になるまで待ってから、0.5〜1.0°Cで再び温度を下げます。観察される植物組織の質量とその形態に応じて、平衡化は10〜15分かかることがあります。従って、約4℃/ hrの冷却速度を与えます。
    5. 植物のフリーズとの観測が完了するまで、このように続けます。凍結プロセスが完了したときに記録を終了します。
      注意:それらは同じ温度であるため、植物材料と背景が同じ色である場合に、植物組織は、空気温度で平衡化しました。背景温度や植物組織の温度が同じであるため、再度温度を下げるまで、植物材料を可視化することが困難であり、植物組織とAとの間の温度差がありますIR温度。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

アイス+細菌の氷核形成活性を、 シュードモナスシリン (株CIT-7)

10μlの水の低下とPを含む水10μl syringaeの (CIT-7)ギボウシの葉の背軸面上に置いた( ギボウシ属 )( 図4)。図示のように、INA菌を含む水の低下は最初凍結し、葉の表面に水滴が凍結されていないままフリーズする葉の誘導を担当していました。

凍結および木本アイス伝播

図5は、オーク( コナラオウシュウナラ )のステムに氷の開始と氷の伝播の両方を示しています。氷の形成は、茎の維管束形成層のの師部領域で開始され、幹の周りに円周方向に伝播しました。木本植物で氷の伝播速度は、横方向とcircumfeよりも長手方向にずっと大きい茎rential方向。31

アイス伝播の料金とアイス伝播の障壁

氷は、INAの細菌が( 図6A、矢印を置かれていたサイトの豆植物(P.尋常性 )のステムに開始されました。最初の凍結事象に続いて、氷がアップし増殖させ、ステムダウン( 図6B-C)。タイムスタンプを有するビデオシーケンスを使用して、ステム上の距離を測定し、所定の距離にわたって氷の伝播の速度を計算することを可能。 図6のグラフは、初期凝固点から豆植物の茎まで氷の伝播速度を提示し、氷は植物の結節領域を通過するように氷の伝播速度の低下を示しています。赤外線サーモグラフィを使用することも、一つの特定の組織への氷の伝播を防止する任意の物理的な障壁の存在を決定することができる。 図7を</強い>は、高山種植物の栄養部分は(茎と葉)凍結したが、端末花芽が未凍結のままLoiseleuriaのprocumbensを 、凍結示します。茎や葉の凍結後の126から164分が発生した、得られた発熱反応が消散するまで氷の形成は発生しませんでした。高山木本種の繁殖シュートは3,33敏感凍結されているように、回避を凍結することは繁殖成功に決定的に重要です。

ブロック外因氷核誘発される凍結に疎水性の障壁の能力

トマト植物( トマト 、疎水性バリア凍結誘発外因氷核形成を阻止できるかどうかを決定するために、疎水性のカオリン系材料( 図8A)でコーティングしました。葉の表面の液体の液滴の接触の程度は、(コーティングされていない葉ではるかに大きかったです図8C)に比べNG>図8B)。 図8Dに示されるように、コーティングされた植物(左)未凍結のままであり、約-6.0℃まで過冷却しながら、コーティングされていない植物(右)、凍結事象の典型的な発熱事象を示しましたこれらの実験の詳細はWisniewskiのに記載されています標高勾配に沿って、ネイティブの植物種の葉の構造に大きな疎水性の34傾向がAryalとノイナーによって指摘されている。35

図1
図1.高分解能赤外放射計。モデルはFLIR SC-660赤外線ビデオカメラが示されています。

図2
図2。 アクリルボックスは、カメラを収容し、凍結および解凍の実験中に赤外線カメラに結露を防止するために使用される。赤外線カメラ用保護エンクロージャ。(A)ボックスアクリルボックスに挿入トップを除去した。(B)カメラ付き蓋を閉じました。

図3
図3の表示と赤外線画像を分析し、リモートカメラコントロール。ResearchIRソフトウェアからのスクリーンショット。ソフトウェアは、画像中の温度データを、ライブ画像を表​​示するカメラの設定、記録単一の画像を変更し、ビデオ録画を行い、分析するために使用されます。左下の挿入がライブ画像の温度ヒストグラムを示しているが、右カメラの設定を変更するためのオプションを示しているに挿入します。

図4 図4.外因性核ギボウシの葉の誘起凍結( ギボウシ属 )。水の凍結していない液滴とINA菌、 シュードモナスシリン (株CIT-7)は、葉(A)の背軸面上に存在します。 INA滴が最初にフリーズ(B)と葉(C)の凍結を開始します。氷は葉(D)全体に広がり、葉の凍結にもかかわらず、水滴は、(E)凍結されていないままです。葉全体が凍結しており、その縁部(F)で冷却し始めた後に、葉の表面の水の液滴がフリーズします。

図5
木本植物の茎で図5.アイス開始と伝播(コナラオウシュウナラ左パネルオークの木質茎の断面図。師部と維管束形成層(A)と幹の周りに氷の形成の進行( - H B)の領域でイベントを凍結(AH)開始。 Kuprianとノイナー、未発表。

図6
高解像度の赤外線サーモグラフィを使用して計算豆植物( インゲンマメ)中の氷の伝播図6.レート(A)幹(矢印)で開始アイス。 (B - C)アイス伝播アップとステムダウン。図の上のグラフは距離氷として提示氷の伝播速度が表示され、それが凍結の元のサイトからステムを上に移動として時間をかけて旅しました。私の遅れ氷が植物の茎の結節部分を通って移動するようにCE伝播が発生しました。この図は、Wisniewskiのから変更されました。24

図7
高山木本植物における氷の形成に図7.バリア、Loiseleuriaのprocumbens(高山ツツジ)。 (A)の中央ステムを示す高山ツツジ、添付の葉、端末芽の茎の可視光画像。 (B - C)凍結は、幹に開始され、氷が葉に出て伝播します。ターミナル芽が凍結していないままです。 (D - E)ターミナル芽が茎や葉の最初の凍結後に独立して126から164分を凍結します。この時間の間に茎や葉の凍結によって生成エンタルピーの熱がすでに消失しました。 Kuprianとノイナー、Unpublished。

図8
図8.疎水性障壁はトマト( ナスリコペルシコン )の外因性核誘導され凍結をブロックします。(A)トマト植物に適用される疎水性カオリン系材料。 (B - C)。葉の表面とコーティングされた(B)のINA細菌を含む液体の液滴との間の接触のレベルの低下対コーティングされていない(C)が出る。(D)コーティングされていない植物(右)コーティングされた植物は、約-6℃の過冷却し、凍結していないまま、植物の凍結に関連する発熱反応を受けます。この図は、Wisniewskiのから変更されている。34

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

水は十分に0℃以下の温度に過冷却する能力を有しており、水が凍結する温度は非常に可変であることができる。36純水の過冷却温度の上限は、約-40℃であり、均一な核形成点として定義されます。暖かい温度で水が凍結がより-40℃、それは次いで、氷の形成と成長のための触媒として機能する形成するために、小さな氷の胚を可能にする核不均一の存在によってもたらされた場合。37自然の中での分子の多数があること非常に効率的な氷の核剤として作用し、このように自然の中での水のほとんどの凍結は、ちょうど、0℃以下の温度で起こります。不均一な核形成剤の活性を調節または影響を及ぼす能力は、植物に霜保護を提供するための新規のアプローチとして大きな可能性を有しています。どのように氷の形を理解し、高感度かつ凍結耐性植物を凍結中を伝播すると、交流に不可欠ですこの目的をhieving。

はじめに示されるように、様々な方法が実験室条件下​​で植物における凍結過程を研究するために使用されている、しかし、自然界の植物の凍結は、主に熱電対を用いて監視されています。高解像度の赤外線サーモグラフィ(HRIT)24-28,34、植物において凍結プロセスを研究するための方法として、いくつかの明確な利点を提供しています。 HRITは1つが、プラント全体を凍結するために必要な凍結事象の数は、実際に氷が植物内で増殖し、氷の伝播への障壁が存在し、場合の任意の部分かどうかを判断する方法を観察する氷の形成の初期部位を観察することができます植物は氷がないまま。最も重要なのは、それは1つが植物全体ではなく、親植物から除去された植物の小さな、孤立した部分における凍結過程を観察することができます。

本報告書は、FREEZの研究にHRITの適用を概説します無傷の植物または植物部分にるが、この技術は植物における方法及び氷形に影響を与えることができるいくつかのパラメータを調べるために使用できる方法のいくつかの例を提供し、そして氷がどのように伝播されます。これらの研究を行う重要な側面は、赤外線カメラの感度および精度を伴い、カメラ及びビデオシーケンスの記録のセットアップに使用されるパラメータは、冷却速度、被験体の構造/形態的複雑性は観察され、そして知識について赤外線科学。これらの項目は、個別に対処されることになります。

赤外線カメラ(放射計)の感度および精度

可視化されている植物組織の凍結時の発熱事象は、0.1 <約0.5℃の範囲、非常に小さいです。したがって、赤外線カメラは、簡単に温度の小さな変化を区別するのに十分な感度である必要があります。温度精度も重要な側面であるとカメラは(少なくとも年一回)定期的に校正されている必要があります。これは、ユーザが行うことができるが、それは広い温度範囲をカバーするいくつかの黒体の使用を必要とします。このため、工場出荷時に調整されたカメラを持っているのがベストです。温度精度の高いレベルが必要不可欠である場合、それは非常に熱電対は、赤外線カメラで同時に使うと使用することをお勧めします。これは、空気の温度の正確な推定値を与えるために研究されたオブジェクトの近くに取り付けることができます。

カメラパラメータ

パラメータのホストは、高度な、ハイエンド赤外線カメラに調整することができます。表示および/または凍結事象を記録するためにカメラを使用するには、画像の平均化は、このように、それは容易に植物の部分を可視化することと、イベントを凍結、ノイズの多い画像​​を低減するために使用されることが重要です。高画質の画像がカメラの設定で選択されたときの画像の平均化が発生します。マイナー凍結発熱ので、sが小さい温度範囲をカバーするためにカメラのtempertureスパンを設定するために凍結過程を表示する際にも重要であり、予想された(2-5°C)。ソフトウェアは、カメラに設定された完全なスパンで選択したカラーパレットを配布しますので、これが必要とされています。そこに10色がパレットにあり、1つは100℃に設定したスパンを持っている場合、温度10℃の変化があった場合そのため、唯一の色の変化、それらのであろう。すばやく放散小さな発熱事象が、逃しされないように、高キャプチャレート(毎秒10フレーム)を使用する必要があります。異なるカラーパレットと階調は、ドロップダウンメニューから選択することができます。最も適切なパレットの選択は、それが目的の熱事象を可視化するための最良の選択肢を提供しているか否かに基づいている必要があります。高度なカメラは、ビデオシーケンスを記録および/または単一の画像をキャプチャするためのいくつかのオプションを提供しています。設定時間期間にわたってフレームの特定の数を選択することができます。これはかなり時間よりも短い時間(分)のシーケンスを記録するための最善の方法です。あるいは、秒あたりのフレーム数を示すことができ、カメラが手動またはフレームの特定の番号の後に記録を停止するように設定します。高度なカメラはまた、事前に定義されたトリガー(温度や時間)に基づいて、開始または終了する録画のオプションを提供しています。

冷却速度

これは、表示されている植物材料の温度は、冷却中に空気温度から大幅に異ならないことが重要です。温度があまりにも速く低下すると、過冷却植物は、それらが自然冷却速度下であろうよりも低い空気温度で凍結します。ほとんどの研究は、空気の温度と平衡に来て植物のための十分な時間を提供し、特に上記の-5℃の温度で1〜2℃のの時-1、の冷却速度をお勧めします。実際には、植物材料は、はるかに速く平衡状態に入ることができます。この植物の周囲の背景の温度で植物材料の温度を比較することによって決定することができます。植物が平衡状態にある場合、それは背景と同じ温度になり、画像の色がほぼ均一であるように見えるように、赤外線画像における背景から植物を識別することが困難になります。

表示されているオブジェクトの構造形態的複雑さ

表示されている画像は、温度のイメージを表現するので、重複したオブジェクトは、連続したオブジェクトではなく、個別のオブジェクトとして表示されます。これは、凍結事象は非常に困難で起きても氷が植物で繁殖されている方法を決定することが困難に増加している場合に目の肥え行うことができます。この問題に対処する最善の方法は、単純なオブジェクト(個々の葉、茎など )との最初の仕事であり、その後、より複雑なオブジェクトを構築します。特定のMAでの作業経験がある方terialは、この問題に対処する大きな価値を有しています。また、デジタル、可視光画像の上に赤外線画像をオーバーレイする能力も大幅赤外線データを分析し、理解を助けることができます。

赤外線科学の知識

それは単にオブジェクトにカメラを指すようにできるようにすることが有利であり、受信した温度データは、エネルギーが大幅に最高の研究グレードを使用する方法のものの理解を向上させることができ、その環境と対話する方法を赤外線理解、100%正確であることを知っているであろうが、赤外線カメラは、データを解釈し。一つは、用語の放射率、反射率、吸光度と多少理解しておく必要があり。ほとんどの場合、カメラは、これらのパラメータを気にせず使用することができるが、それらは表示されている画像とその全体的な品質と精度の性質を説明するのに役立つことができます。赤外線エネルギーが物体に当たったとき簡単に言えば、それはいずれかのRとすることができますeflectedまたは吸収され、その後、放出されました。研究される物体の性質は、それゆえ、受信されるデータの精度に影響を与えることができます。オブジェクトは、高い反射率を有する場合、1は、オブジェクト自体よりも、赤外線エネルギーを放出している周囲の物体の像より代表を受け取ることになります。赤外線エネルギーを放出することなく、赤外線エネルギーの吸収度も検討されているオブジェクトから偽の温度データを得ることにつながることができます。カメラセンサは、赤外線エネルギーを放射された検出したがって、最も正確な温度は、放射率の高いレベルを有する対象から得られます。幸いなことに、植物は、正確な温度測定を可能にする放射率の高いレベルを持っています。放射率の低いレベルは、その後、温度読取に適切な調整を行うためのアルゴリズムを使用し、カメラの設定では、このパラメータを調整することによって補償することができます。

正確にいつ、どのように植物は凍結決定する能力凍結回避メカニズムの進化と凍結過程で植物の構造の役割を理解するために不可欠です。凍結、その見かけのシンプルさにもかかわらず、複雑なプロセスであり、植物は、凍結を防ぐため氷の形成を区分し、氷の伝播を防止するために、構造的な適応のホストを進化させてきました。高解像度赤外線サーモグラフィは、植物における凍結過程の複雑さを研究し、霜保護の効果的な新しい方法の開発につながるために使用することができる新規かつ強力なツールです。凍結回避のより良い理解は、これらの適応メカニズムが進化してきたかを理解するために私たちを助け、それらが異なる植物種の生物学および生存に果たす役割ができます。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

著者らは、全く競合する金融利害や利害の衝突を持っていません。

Acknowledgments

P23681-B16:この研究は、オーストリア科学基金(FWF)によって資金を供給されました。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Infrared Camera FLIR SC-660 Many models available depending on application
Infrared Analytical Software FLIR ResearchIR 4.10.2.5 $3,500
Pseudomonas syringae (strain Cit-7) Kindly provided by Dr. Steven Lindow, University of California  Berkeley icelab@berkeley.edu
Pseudomonas Agar F Fisher Scientific DF0448-17-1

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

環境科学、問題99、フリーズ回避、過冷却、氷核活性細菌、霜耐性、氷の結晶、不凍タンパク質、内因性核、外因性核、不均一核、均一核生成は、示差熱分析
植物の氷核と氷伝播の研究のための高解像度赤外線サーモグラフィ(HRIT)の使用
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wisniewski, M., Neuner, G., Gusta,More

Wisniewski, M., Neuner, G., Gusta, L. V. The Use of High-resolution Infrared Thermography (HRIT) for the Study of Ice Nucleation and Ice Propagation in Plants. J. Vis. Exp. (99), e52703, doi:10.3791/52703 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter