Hier presenteren we een protocol dat het mogelijk maakt om locaties van ijsvorming en wegen van ijsverspreiding in planten te visualiseren met behulp van hoogwaardige infraroodthermografie (HRIT).
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Hier presenteren we een protocol dat het mogelijk maakt om locaties van ijsvorming en wegen van ijsverspreiding in planten te visualiseren met behulp van hoogwaardige infraroodthermografie (HRIT).
Bevriezingsgebeurtenissen die zich voordoen wanneer planten actief groeien, kunnen een dodelijke gebeurtenis zijn, vooral als de plant geen vorsttolerantie heeft. Dergelijke vorstgebeurtenissen hebben vaak verwoestende gevolgen voor de landbouwproductie en kunnen ook een belangrijke rol spelen bij het vormen van de gemeenschapsstructuur in natuurlijke plantenpopulaties, vooral in alpine, sub-arctische en arctische ecosystemen. Daarom kan een beter begrip van het bevriezingsproces in planten een belangrijke rol spelen bij de ontwikkeling van methoden voor vorstbescherming en het begrijpen van mechanismen van vorstvermijding. Hier beschrijven we een protocol om het bevriezingsproces in planten te visualiseren met behulp van hoogwaardige infraroodthermografie (HRIT). Het gebruik van deze technologie maakt het mogelijk om de primaire locaties van ijsvorming in planten te bepalen, hoe ijs zich verspreidt en de aanwezigheid van ijsbarrières. Bovendien maakt het het mogelijk om de rol van extrinsieke en intrinsieke nucleators te onderzoeken bij het bepalen van de temperatuur waarbij planten bevriezen en om de capaciteit van verschillende verbindingen te evalueren om het bevriezingsproces te beïnvloeden of de bevriezingstolerantie te verhogen. Het gebruik van HRIT maakt het mogelijk om de vele aanpassingen die zich in planten hebben ontwikkeld, die direct of indirect van invloed zijn op het bevriezingsproces en uiteindelijk planten in staat stellen om vorstgebeurtenissen te overleven, te visualiseren.
Vriestemperaturen die optreden wanneer planten actief groeien kan dodelijk zijn, vooral als de plant weinig of geen vriestolerantie. Dergelijke vorst gebeurtenissen hebben vaak verwoestende gevolgen voor de landbouwproductie en kan ook een belangrijke rol spelen in het vormgeven van de gemeenschap structuur in natuurlijke populaties van planten, vooral in de Alpen, sub-arctische en arctische ecosystemen 1-6. Episodes van ernstige vorst in het voorjaar hebben grote gevolgen voor de productie van fruit in de Verenigde Staten en Zuid-Amerika in de afgelopen jaren 7-9 gehad en zijn verergerd door de vroege begin van warm weer gevolgd door meer typische gemiddelde lage temperaturen. De vroege warme weer induceert knoppen te breken, het activeren van de groei van nieuwe scheuten, bladeren en bloemen die allemaal zeer weinig tot geen vorsttolerantie 1,3,10-12. Dergelijke grillige weerpatronen zijn gemeld aan een directe weerspiegeling van de gang zijnde klimaatverandering en zullen naar verwachting een gemeenschappelijk weerpatroon voor de fores zijneeable toekomst 13. De inspanningen om economisch, effectief en milieuvriendelijk beheer technieken of landbouwchemicaliën die verhoogde vorsttolerantie kunnen verschaffen hebben beperkt succes voor tal van redenen had, maar dit kan deels worden toegeschreven aan de complexe aard van de bevriezing tolerantie en bevriezing vermijden mechanismen in planten. 14
Het adaptieve mechanismen van vorst overleving in planten worden traditioneel onderverdeeld in twee categorieën, vorsttolerantie en invriezen te voorkomen. De eerste categorie wordt geassocieerd met biochemische mechanismen geregeld door een specifieke set van genen die het mogelijk planten om de spanningen in verband met de aanwezigheid en de dehydratieve effect van ijs in haar weefsels tolereren. Terwijl de laatste categorie is typisch, maar niet alleen, in verband met structurele aspecten van een plant dat als bepalen wanneer en waar ijsvormen in een plant 14. Ondanks de prevalentie van bevriezing voorkomen als adaptive mechanisme, is weinig onderzoek besteed in de afgelopen tijd tot het begrijpen van de onderliggende mechanismen en regulering van bevriezen te vermijden. De lezer wordt verwezen naar een recent overzicht 15 voor meer details worden gegeven.
Hoewel ijsvorming bij lage temperaturen lijkt een eenvoudig proces, vele factoren dragen bij aan het bepalen van de temperatuur waarbij ijs nucleates in plantenweefsels en hoe het zich binnen de plant. Parameters zoals de aanwezigheid van extrinsieke en intrinsieke ijskiemvormers, heterogene vs. homogene nucleatie gebeurtenissen, thermische-hysteresis (antivries) eiwitten, de aanwezigheid van specifieke suikers en andere osmolyten en een groot aantal structurele aspecten van de plant kan spelen een belangrijke rol in het vriesproces in planten. Tezamen zijn deze parameters beïnvloeden de temperatuur waarbij een plant bevriest, waarbij ijs ingeleid en hoe deze groeit. Ze kunnen ook invloed hebben op de morfologie van de resulterende ijskristallen.Verschillende werkwijzen zijn gebruikt om het vriesproces in planten te bestuderen onder laboratoriumomstandigheden, inclusief kernmagnetische resonantiespectroscopie (NMR) 16, magnetic resonance imaging (MRI) 17, cryo-microscopie 18-19 en lage temperatuur scanning elektronenmicroscopie (LTSEM ). 20 Het invriezen van hele planten in laboratorium en veldinstellingen is echter voornamelijk bewaakt met thermokoppels. Het gebruik van thermokoppels bevriezing studie is gebaseerd op het vrijkomen van warmte (smeltenthalpie) wanneer water een faseovergang van vloeibaar naar vast ondergaat. Het invriezen wordt vervolgens geregistreerd als een exotherme gebeurtenis. 21-23 Hoewel thermokoppels zijn de typische voorkeursmethode bij het bestuderen bevriezen in planten, het gebruik ervan heeft vele beperkingen die de hoeveelheid gegevens die tijdens de bevriezing gevallen beperkt. Bijvoorbeeld met thermokoppels moeilijk bijna onmogelijk om te bepalen waar het ijs wordt geopend planten, hoe het propageert,als het zich voortplant in een gelijkmatig tempo, en als sommige weefsels blijft ijsvrij.
Vooruitgang in een hoge resolutie infrarood thermografie (HRIT) 24-27, echter, zijn aanzienlijk toegenomen de mogelijkheid om informatie over de bevriezing proces in hele planten te verkrijgen, vooral bij gebruik in een differentiële imaging-modus. 28-33 In dit verslag, we beschrijven de toepassing van deze technologie om verschillende aspecten van het invriesproces en verschillende parameters die invloed hebben en waar en op welke temperatuur ijs ingeleid planten bestuderen. Een protocol zal worden dat de capaciteit van de ijs nucleatie-actieve (INA) bacterie Pseudomonas syringae (Cit-7) fungeren als extrinsieke nucleator initiërende bevriezing kruidachtige plant bij een hoge, temperaturen onder nul demonstreren.
High-resolution Infrared Camera
Het protocol en voorbeelden gedocumenteerd in dit rapport gebruik van een hoge resolutie infraroodvideo radiometer. De radiometer (figuur 1) levert een combinatie van infrarode en zichtbare spectrum afbeeldingen en temperatuurgegevens. De spectrale respons van de camera in het traject van 7,5-13,5 pm en levert 640 x 480 pixel resolutie. Zichtbare spectrum afbeeldingen gegenereerd door de ingebouwde camera kan worden gefuseerd met IR-beelden in real time, wat de interpretatie van complexe infraroodbeelden vergemakkelijkt. Een reeks van lenzen voor de camera kan worden gebruikt om close-up en microscopische observaties te maken. De camera kan gebruikt worden in een stand-alone mode of gekoppeld en gecontroleerd met behulp van een laptop propietary software. De software kan worden gebruikt om een verscheidenheid van thermische data ingebed in de opgenomen video te verkrijgen. Het is belangrijk op te merken dat een groot aantal infrarood radiometers zijn commercieel verkrijgbaar. Daarom is het essentieel dat de onderzoeker over hun beoogde toepassing met een deskundige productengineer en dat de onderzoeker test het vermogen van elke specificatiesc radiometer om de benodigde informatie te verstrekken. De imaging radiometer in het protocol beschreven wordt in een acrylaat (afbeelding 2) geïsoleerd met Styrofoam i n om de blootstelling ontmoedigen om condensatie tijdens de opwarming en afkoeling protocols. Deze bescherming is niet noodzakelijk voor alle camera's of toepassingen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
1. Voorbereiding van de Plant Materials
2. Voorbereiding van de Water oplossingen die ijskiemvorming Actief (INA) Bacteriën
3. Opzetten van een Freezing Experiment
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Ice-kiemvormend activiteit van de Ice + bacterie, Pseudomonas syringae (stam Cit-7)
Een 10 ul druppel water en 10 pl water dat P. syringae (Cit-7) werden op de abaxiale oppervlak van een blad Hosta geplaatst (Hosta spp.) (figuur 4). Zoals geïllustreerd, de druppel water met de INA bacteriën bevroor eerste en was verantwoordelijk voor het induceren van het blad te bevriezen, terwijl de druppel water op het bladoppervlak bleef bevroren.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Water heeft de mogelijkheid om onderkoeling bij temperaturen onder 0 ° C en de temperatuur waarbij water bevriest kan heel variabel zijn. 36 De grenstemperatuur voor onderkoeling van zuiver water is ongeveer -40 ° C en wordt gedefinieerd als homogene nucleatie punt. Wanneer water bevriest bij temperaturen warmer dan -40 ° C wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van heterogene kiemvormers waarmee kleine ice embryo te vormen die dan dienen als een katalysator voor ijsvorming en groei. 37 Er zijn een...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben geen concurrerende financiële belangen of belangenconflicten.
Dit onderzoek werd gefinancierd door de Oostenrijkse Science Fund (FWF): P23681-B16.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Infrared Camera | FLIR | SC-660 | Veel modellen beschikbaar, afhankelijk van de toepassing |
| Infrarood Analytische Software | FLIR | ResearchIR 4.10.2.5 | $3.500 |
| Pseudomonas syringae (stam Cit-7) | Vriendelijk verstrekt door Dr. Steven Lindow, University of California Berkeley icelab@berkeley.edu | ||
| Pseudomonas Agar F | Fisher Scientific | DF0448-17-1 |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.