Conception et l'exploitation d'un continu

L'objectif général de cette procédure est de produire un matériel végétal fortement enrichi en carbone 13 et en azote 15, de manière uniforme dans toute la plante ou de façon différentielle dans les tissus structuraux et métaboliques. Cet objectif est atteint en construisant tout d'abord une enceinte étanche destinée à la culture des plantes. La deuxième étape consiste à contrôler la température, l'humidité et les niveaux de dioxyde de carbone dans l'enceinte afin de maintenir des conditions de croissance adaptées aux plantes.

Ensuite, les plantes sont cultivées dans une chambre hermétique contenant de l'air enrichi en 13 C, du dioxyde de carbone ainsi qu'une irrigation et une fertilisation contenant de l'azote 15. La dernière étape consiste à interrompre le marquage en retirant les plantes différemment marquées de la chambre plusieurs semaines avant la récolte, afin que leur matériel métabolique devienne moins enrichi en carbone 13 et en azote 15. Par rapport aux composants structurels des plantes, après la récolte du matériel végétal, une extraction à l'eau chaude et une spectrométrie de masse avec rapport isotopique sont utilisées pour mesurer le marquage isotopique global ainsi que les différences d'intensité de marquage.

L'avantage principal du marquage continu par rapport à d'autres méthodes, telles que l'application foliaire ou les marquages pulsés répétés, est qu'il produit un matériel végétal uniformément marqué pouvant être différemment marqué dans ses composants métaboliques ou structuraux. Pour commencer cette procédure, construire la chambre de marquage comme décrit dans le protocole textuel associé, en fixant des parois transparentes en acrylique de 3,18 millimètres d'épaisseur et un plafond transparent en acrylique de 6,35 millimètres d'épaisseur sur un cadre en aluminium avec un sol en acier peint en blanc ; les dimensions de la chambre peuvent être adaptées selon les besoins spécifiques de croissance des plantes. La chambre présentée ici mesure 1,2 sur 2,4 sur 3,6 mètres et contient 40 pots de 15 litres ; s'assurer que la chambre est étanche à l'air en recouvrant toutes les jonctions d'un joint d'étanchéité en silicone adéquat.

Monter la porte sur des vis mécaniques, que l'on peut visser et dévisser à l'aide d'écrous à ailettes amovibles. Sceller la porte avec un joint anti-intempéries afin d'éviter toute fuite d'air dans la zone située directement adjacente à la chambre d'étiquetage. Monter le centre de contrôle sur le moniteur et régler la température, l'humidité et le dioxyde de carbone à l'intérieur de la chambre.

Veillez à ce que les fils électriques et les tubes de gaz qui pénètrent dans la chambre soient bien scellés avec du silicone afin d'éviter toute fuite d'air. Vous pouvez éventuellement ajouter des lampes dans la chambre pour augmenter la pénétration de la lumière et contrôler la durée du jour afin de réguler la température de la chambre. Installez un climatiseur split commercial, dont les serpentins d'évaporation sont situés à l'intérieur de la chambre, tandis que le compresseur et les serpentins de condensation se trouvent à l'extérieur, afin de dissiper la chaleur.

Ensuite, installez un petit déshumidificateur d'ambiance dans l'enceinte. Percez un trou dans le sol à côté du déshumidificateur, puis faites passer le tuyau de drainage du déshumidificateur à travers ce trou et dans un bocal prérempli d'eau. Cela crée un joint étanche pour le drainage et permet l'équilibrage de la pression, tout en régulant l'humidité dans l'enceinte en raccordant un contrôleur programmable, tel qu'un modèle de la série Omega Eye équipé d'un capteur d'humidité, au déshumidificateur.

Ensuite, installez un analyseur de gaz infrarouge ou ERA muni d'une pompe à diaphragme qui prélève continuellement de l'air de la chambre à travers l'ERA et le renvoie dans la chambre. Cela permet de maintenir un système fermé tout en surveillant en continu la concentration de dioxyde de carbone dans la chambre. Ensuite, reliez deux bouteilles de gaz de dioxyde de carbone pur au système de régulation du dioxyde de carbone.

Un des réservoirs doit contenir du dioxyde de carbone à 10 pour cent atomique de 13 C ou plus, et l'autre doit contenir du dioxyde de carbone au niveau d'abondance naturelle en 13 C. Régler les régulateurs des réservoirs à 20 PSI après avoir inséré les vannes solénoïdes dans les conduites de gaz afin de contrôler les injections de dioxyde de carbone par le logiciel Ergo.

Commander l'ouverture et la fermeture des vannes solénoïdes en les connectant à l'ER rga via un programme de relais statique, un alarme basse dans le logiciel ergas déclenchant l'ouverture des vannes solénoïdes lorsque la concentration de dioxyde de carbone dans l'enceinte descend en dessous d'une certaine valeur, et une plage morte permettant de refermer les vannes une fois que la concentration de dioxyde de carbone atteint un point de consigne supérieur. Après avoir installé les vannes solénoïdes, fixer une vanne de réglage sur chacune des deux lignes de bouteille de gaz et les ajuster soigneusement afin d'obtenir le niveau souhaité d'enrichissement en carbone 13 dans l'atmosphère.

Ici, nous utilisons un enrichissement en carbone 13 à 4,4 atomes pour cent. Reliez les sorties ensemble, puis acheminez le tuyau au centre de la chambre entre les ventilateurs, ce qui permet de répartir uniformément le dioxyde de carbone marqué dans l'ensemble de la chambre afin de mettre en place le système d'irrigation. Commencez par créer un anneau d'irrigation goutte à goutte par pot et faites passer le tube d'irrigation à travers un petit trou pratiqué dans la paroi de la chambre vers l'extérieur.

Ensuite, sceller les trous autour du tube d'irrigation avec un mastic silicone afin d'empêcher toute fuite d'air à l'extérieur de la chambre. Connecter le tube d'irrigation au tube de la pompe péristaltique et y fixer une petite pince à durite pour éviter toute fuite d'air entre les arrosages. Faire germer avant la plantation en pots afin de garantir la viabilité, puis inoculer les semis avec une bouillie de sol fraîche. Pour introduire des micro-organismes bénéfiques, remplir les pots avec un mélange de rempotage sans sol afin d'éliminer l'introduction de carbone et d'azote non étiquetés provenant du sol.

Ici, nous utilisons un mélange de sable, de vermiculite et d'une céramique poreuse en forme de profil. Une fois les graines germées, transplantez délicatement les jeunes plants dans les pots contenant un minimum de terreau. Ensuite, déplacez les pots dans la chambre et fixez à chaque pot un tuyau d'irrigation individuel.

Enfin, fermez hermétiquement la porte de la chambre et éliminez le dioxyde de carbone externe en raccordant un absorbeur de chaux sodée à la pompe à air jusqu'à ce que la concentration en dioxyde de carbone soit réduite à au moins 200 à 250 parties par million. Avant de recharger la chambre jusqu'à 400 parties par million, utilisez le mélange provenant de la bouteille de dioxyde de carbone 13 C. Tâchez de garder la chambre fermée pendant toute la durée de la saison de croissance afin de minimiser la contamination par le dioxyde de carbone d'abondance naturelle.

Étiquetez d'abord une solution d'engrais de type Hyland contenant de l'azote 15 en mélangeant du nitrate de potassium 15 à 98 % atomique d'azote avec du nitrate de potassium 15 à abondance naturelle en azote, puis ajoutez-la au reste de la solution Hookin. Ici, nous utilisons une solution contenant 7 % atomique d'azote 15 pour la fertilisation. Utilisez une pompe péristaltique pour introduire la solution d'engrais marquée à l'azote 15 à travers les tubes d'irrigation.

L'UNC pince les tuyaux d'irrigation et distribue des quantités variables d'engrais aux plantes individuelles selon la demande et le plan expérimental. Ensuite, pomper de l'eau à travers les tuyaux afin de rincer l'engrais des conduites d'irrigation. La quantité totale de liquide ajoutée ne doit pas dépasser la capacité de rétention d'eau des pots afin de minimiser le gaspillage d'engrais.

Rec clamp, tous les tuyaux après la fécondation et l'irrigation afin d'éliminer toute fuite d'air dans la chambre. Pour l'étiquetage différentiel des composants structuraux et métaboliques, retirer les plantes de la chambre d'étiquetage une à trois semaines avant la récolte. Conserver les plantes destinées à être étiquetées de manière uniforme à l'intérieur de la chambre jusqu'à la récolte.

Pour induire la sénescence, cessez simplement l'irrigation lorsque vous êtes prêt. Récoltez les plantes en coupant d'abord la biomasse aérienne.

Après avoir récolté la biomasse aérienne, versez le mélange de culture et les racines sur un tamis de 6 mm de diamètre afin de séparer les racines du mélange de culture. Rincez ensuite les racines sur un tamis de 2 mm pour éliminer tout matériau de culture résiduel. Utilisez des pinces au besoin pour retirer tout mélange de culture qui pourrait adhérer aux racines, puis laissez les racines sécher à l’air en vue de futures expériences.

Au cours de trois saisons de croissance d'exploitation, la chambre a maintenu avec succès la température entre 26 et 29 degrés Celsius, l'humidité entre 36 et 56 %, et les concentrations de dioxyde de carbone entre 360 et 400 parties par million, telles qu'elles avaient été réglées dans le centre de contrôle. On présente ici des résultats représentatifs de la saison de croissance 2011 d’Andra Pogon Girard di. L'accumulation de dioxyde de carbone pendant la respiration nocturne ne semble pas nuire aux plantes en croissance et est rapidement absorbée après le lever du soleil.

Le marquage à l'azote 15 par l'intermédiaire de la solution ciblée de sept pour cent en poids d'azote 15 dans la solution Hogland a produit un matériel végétal fortement marqué à 6,7 pour cent atomique d'azote 15 ; une légère dilution par rapport au marquage ciblé en azote 15 pourrait être due à une certaine présence d'azote d'abondance naturelle dans le mélange de culture ou à l'inoculation par le sol natif. Le marquage au carbone 13, utilisant un dioxyde de carbone ciblé à 4,4 pour cent atomique de 13 C, a conduit à une valeur de 4,46 pour cent atomique de carbone 13. Au sein de l'ensemble du lit de feuilles de matériel végétal uniformément marqué, les plantes différemment marquées, prélevées de la chambre sept, 14 ou 22 jours avant la récolte, présentaient une différence significative en carbone 13 et en azote 15.

Contenu en composants métaboliques obtenus sous forme d'extraits aqueux chauds et en composants structuraux obtenus sous forme de résidus d'extraction aqueuse chaude, indiquant un marquage différentiel des matériaux végétaux métaboliques et structuraux. Depuis son développement, le double marquage isotopique continu a permis aux chercheurs en biogéochimie d'explorer le devenir et la transformation des composants végétaux dans l'environnement à l'échelle macroscopique et nanoscopique.