Introduction
Frysning temperaturer, der forekommer, når planterne er aktivt voksende kan være dødbringende, især hvis planten har ringe eller ingen frysning tolerance. Sådanne frost begivenheder ofte ødelæggende virkninger på landbrugsproduktionen og kan også spille en vigtig rolle i udformningen af samfundet struktur i naturlige populationer af planter, især i alpin, sub-arktiske og arktiske økosystemer 1-6. Episoder med svær forårsfrost har haft store konsekvenser for frugtproduktion i USA og Sydamerika i de seneste år 7-9 og er blevet forværret af den tidlige debut af varmt vejr, efterfulgt af mere typiske gennemsnitlige lave temperaturer. Den tidlige varmt vejr inducerer knopper til at bryde, aktivering af væksten af nye skud, blade og blomster som alle har meget lidt at ingen frost tolerance 1,3,10-12. Sådanne uberegnelige vejrmønstre er blevet rapporteret til at være en direkte afspejling af igangværende klimaændringer og forventes at være en fælles vejr mønster for foreseeable fremtid 13. Bestræbelser på at give økonomiske, effektive og miljøvenlige management teknikker eller landbrugskemikalier, som kan give øget frost tolerance har haft begrænset succes for et væld af grunde, men dette kan til dels tilskrives den komplekse karakter af frysning tolerance og frysning unddragelse mekanismer i planter. 14
De adaptive mekanismer forbundet med frost overlevelse i planter er traditionelt blevet opdelt i to kategorier, frysning tolerance og frysning unddragelse. Førstnævnte kategori er forbundet med biokemiske mekanismer reguleres af et bestemt sæt af gener, der giver planter til at tolerere de belastninger, der er forbundet med tilstedeværelsen og den dehydratiserende virkning af is i sine væv. Mens sidstnævnte kategori er typisk, men ikke udelukkende, i forbindelse med de strukturelle aspekter af en plante, der bestemmer, om, hvornår og hvor is former i et anlæg 14. Til trods for forekomsten af fryse undgåelse som en adaptive mekanisme, er lidt forskning er blevet afsat i den seneste tid på at forstå de underliggende mekanismer og regulering af fryse unddragelse. Læseren henvises til en nylig 15 for nærmere detaljer om dette emne.
Mens isdannelse ved lave temperaturer kan virke som en enkel proces, mange faktorer bidrager til at bestemme den temperatur, hvor is nukleerer i plantevæv, og hvordan den spreder inden planten. Parametre, såsom tilstedeværelsen af extrinsiske og iboende is kimdannelsesmidler, heterogene vs. homogene nukleeringsbegivenheder, termisk-hysterese (frostvæske) proteiner, tilstedeværelsen af specifikke sukkere og andre osmolytter, og et væld af strukturelle aspekter af planten kan alle spille en væsentlig rolle i fryseprocessen i planter. Kollektivt, disse parametre påvirker temperatur, ved hvilken en plante fryser, hvor isen er indledt, og hvordan det vokser. De kan også påvirke morfologien af de resulterende iskrystaller.Forskellige metoder er blevet anvendt til at undersøge fryseprocessen i planter under laboratoriebetingelser, herunder kernemagnetisk resonans spektroskopi (NMR) 16, magnetisk resonans (MRI) 17, cryo-mikroskopi 18-19, og lav temperatur scanningselektronmikroskopi (LTSEM ). 20 Indefrysning af hele planter i laboratorie- og field indstillinger har dog primært blevet overvåget med termoelementer. Anvendelsen af termoelementer for at studere frysning er baseret på frigivelse af varme (smeltevarme), når vandet undergår en faseovergang fra en væske til et faststof. Frysning derpå registreres som en exoterm begivenhed. 21-23 Selvom termoelementer er de typiske foretrukne metode i at studere frysning i planter, deres anvendelse har mange begrænsninger, der begrænser mængden af information indsamlet under selve frysningen. For eksempel med termoelementer er det vanskeligt at næsten umuligt at afgøre, hvor isen initieres i planter, hvordan det udbreder,hvis det udbreder med en ensartet hastighed, og hvis nogle væv forbliver fri for is.
Fremskridt i høj opløsning infrarød termografi (HRIT) 24-27, men har øget muligheden for at indhente oplysninger om indefrysning processen i hele planter, især når de anvendes i en differential billedbehandlingstype. 28-33 I nærværende rapport, vi beskriver anvendelsen af denne teknologi til at studere forskellige aspekter af fryseprocessen og forskellige parametre, som påvirker, hvor og og til hvilken temperatur is initieres i planter. En protokol vil blive præsenteret, der vil demonstrere evne til is-nukleation-aktiv (INA) bakterie, Pseudomonas syringae (Cit-7) til at fungere som en ydre kimdannelsesmiddel indlede frosset for urteagtig plante med en høj, frost temperatur.
Høj opløsning Infrarød kamera
Protokollen og eksempler dokumenteret i denne rapport anvender en høj opløsning infrarødvideo radiometer. Den radiometer (figur 1) leverer en kombination af infrarøde og synlige spektrum billeder og temperaturdata. Det spektrale respons på kameraet er i området fra 7,5 til 13,5 um og giver 640 x 480 pixel opløsning. Synlige spektrum billeder genereret af den indbyggede kamera kan fusioneres med IR-billeder i realtid, hvilket letter fortolkningen af komplekse, termiske billeder. En række linser til kameraet kan bruges til at lave close-up og mikroskopiske observationer. Kameraet kan bruges i en stand-alone mode eller grænseflader og styres med en bærbar computer ved hjælp propietary software. Kan bruges softwaren til at få en bred vifte af termiske data indlejret i de optagede videoer. Det er vigtigt at bemærke, at en lang række af infrarøde radiometre er kommercielt tilgængelige. Derfor er det vigtigt, at forskeren diskutere deres påtænkte anvendelse med en kyndig produkt ingeniør og at forskeren teste evnen af enhver specific radiometer til at give de nødvendige oplysninger. Det billeddannende radiometer anvendes i den beskrevne protokol anbringes i en akryl boks (figur 2) isoleret med Styrofoam i n for at afskrække eksponering for kondensation under opvarmning og køling protokoller. Er ikke nødvendigt for alle kameraer eller programmer denne beskyttelse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Forberedelse af plantematerialer
- Bruge enten blade eller hele planter af emne plantemateriale (Hosta spp. Eller Phaseolus vulgaris).
2. Udarbejdelse af Water Solutions indeholdende isnukleering Aktive (INA) Bakterier
- Kultur INA bakterien Pseudomonas syringae (Stamme Cit-7) i petriskåle ved 25 ° C på Pseudomonas Agar F fremstillet med 10 g / l af 100% glycerol pr fabrikantens retning.
- Efter kulturer er vokset tilstrækkeligt, sted ved 4 ° C indtil brug, men holde ved 4 ° C i to dage før sikre et højt isnukleering aktivitet.
- Skrabe bakterier fra en enkelt plade fra overfladen af agaren med en plast, engangs eller genbruges metalspatel på tidspunktet for brug og sted i 10-15 ml deioniseret vand i et 25 ml engangscuvette. Koncentrationen skal være i området fra 1 x oktober 7-1 x 10 9 · -1. Løsningen vises uklar. Der er ingen grund til at bekræfte den koncentration, ved hjælp af et hæmocytometer eller spektrofotometer, som koncentration kun behøver at være omtrentlig.
- Vortexes kuvetten i mindst 10 sek til at distribuere bakterierne.
Bemærk: Den specifikke koncentration af den resulterende INA blanding er ikke vigtigt, og protokollen beskrevet vil give mere end et passende isnukleering aktivitet. Denne blanding af INA bakterier og vand vil blive anvendt senere i kernedannelsespunkterne eksperimenter.
3. Opsætning af en indefrysning Experiment
- Placer høje opløsning infrarødt kamera (SC-660) inde i beskyttende akryl boks, så linsen projekter gennem åbningen i den forreste del af feltet, og ledningerne forbinder kameraet til en bærbar computer eller optageenhed exit gennem den bageste åbning af kassen . Fastgør låget af kassen og placere boksen inde i miljøkammeret eller fryseren i en placering, der vil alleow emnet plantemateriale skal ses.
- Giv en mørk baggrund omkring plantematerialet ved foring væggene i kammeret med sort byggeri papir for at forhindre interferens fra reflekteret infrarød energi.
- Monter kammer med LED-belysning for at minimere opvarmning fra lyskilden, når optagelse billeder i synlige bølgelængder er påkrævet. Kun et minimum af lys, såsom en batteridrevet skab lys eller andre små LED-enhed, der kræves for planterne at være synlige af kameraet.
- Når synlige billeder af motivet plantemateriale tages, slukke for LED-belysning. Fordel alle eksterne kablede forbindelser (firewire tilslutning til computer, netledning, etc.) til kameraet via en havn eller en anden åbning i kammeret.
- Fyld nogen ekstra plads i havnen eller åbning med isolerende skummateriale for at undgå eller mindske temperaturgradienter i kammeret. Indstille den indledende temperatur af kammeret ved 1 ° C.
- Juster planter eller plantedele, således at plantematerialet er i den field-of-view af kameraet og plantematerialet er synlig på remote viewing skærmen eller inden for den valgte software.
- Tillad planter til at ækvilibrere ved 1 ° C i 30 min til 1 time, afhængigt af størrelsen af plantematerialet, før påbegyndelse et kontrolleret frysning eksperiment. Dette sikrer, at temperaturen af planten ikke vil være ringere lufttemperatur ved mange grader, når frysningen eksperiment påbegyndes. Ækvilibrering opnås, når temperaturen af plantematerialet ligger inden for 0,5 ° C fra lufttemperaturen.
- Lægge et stykke Styrofoam isolering på toppen af jorden af potteplanter, hvis der anvendes potteplanter. Når planterne er ækvilibreret, påbegynde afkøling af kammeret.
Bemærk: lag isolering på jordoverfladen af potten reducerer mængden af fortsat varmetab fra puljen til luften omkring anlægget, og forhindrer rødderne fra freezing, da dette ville typisk ikke forekomme under en frost begivenhed i naturen på grund af den massive reservoir af spildvarme til stede i jorden.
- Lægge et stykke Styrofoam isolering på toppen af jorden af potteplanter, hvis der anvendes potteplanter. Når planterne er ækvilibreret, påbegynde afkøling af kammeret.
- Indstil de ønskede kamera parametre (farve palet, temperaturområde, specifikke områder af interesse, etc.), som diskuteret i 3.4.1-3.4.4.
- Vælg regnbuen paletten for at vise temperaturvariationer, mens du ser live-billedet.
- Angiv temperaturområdet til 5 ° C ved at justere temperaturen bjælke lige under billedet i softwaren.
- Vælg den lineære skala (algoritme) til at konvertere de infrarøde data i det falske farvebillede som defineret af den valgte paletten (rainbow) og indstille intervallet temperaturen til 5 ° C, og til at spore automatisk baseret på billedet. Alternativt justeres det indstillede interval manuelt, mens udførelse af eksperimentet.
- Brug temperaturen af et bestemt punkt eller en gennemsnitlig temperatur inden for det afgrænsede område af interesse, som den Udbydersoftw.opdater. Hente data fra alle pixels fra optagede video sekvens eller fra de oplysninger, indlejret i billedfilen temperaturen. Figur 3 viser en typisk screenshot indefra ResearchIR software.
- Placer en markør på en placering på plantevæv, der repræsenterer et bestemt punkt af interesse. Definere området af interesse som punkter (1 -3 pixels i størrelse), kasser, linjer, ellipser eller cirkler. Flere kombinationer af punkter eller figurer kan være placeret over billedet.
- Optager en video sekvens
- Indstil kameraet til at optage ved 60 Hz og for optagelsen skal stoppes manuelt.
- Angiv den placering på computeren eller eksternt drev, hvor den optagede videofil vil blive placeret.
- Begynd optagelsen.
Bemærk: Optagelse til en ekstern harddisk er stærkt anbefales, da store videofiler vil blive genereret. Optagede videofiler kan senere redigeret for at indeholde kun den del, der indeholder nevendigt oplysninger. Dette vil i høj grad reducere filstørrelsen. - Sænke temperaturen i kammeret trinvist med 0,5 -1.0 ° C. Vent, indtil temperaturen anlægget ækvilibrerer med luft temperatur og derefter sænke temperaturen igen ved 0,5-1,0 ° C. Afhængigt af massen af plantevæv overholdes og dets morfologi, kan ækvilibrering tage 10 til 15 minutter. Således giver en afkølingshastighed på ca. 4 ° C / time.
- Fortsæt på denne måde indtil anlægget fryser og observationer er afsluttet. Afslutte optagelsen, når frysningen er afsluttet.
Bemærk: plantevæv har ækvilibreret med lufttemperatur når plantematerialet og baggrund har samme farve, da de er ved den samme temperatur. Eftersom baggrunden temperatur og temperaturen af plantevævet er de samme, kan det være vanskeligt at visualisere plantematerialet indtil du igen sænke temperaturen, og der er temperaturforskel mellem plantevæv og enir temperatur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Ice-kernedannende aktivitet Ice + bakterie, Pseudomonas syringae (stamme Cit-7)
En 10 pi dråbe vand og 10 pi vand indeholdende P. syringae (Cit-7) blev placeret på abaxial overflade af en Hosta blad (Hosta spp.) (figur 4). Som vist dråbe vand indeholdende INA bakterier frøs første og var ansvarlig for at inducere bladet til at fryse, medens dråbe vand på bladoverfladen forblev frosne.
Frysning og Ice formering i en Woody Plant
Figur 5 illustrerer både is initiering og is opformering i en stilk af eg (Quercus robur). Isdannelse blev indledt i Inderbark phloem region af stammen og opformeret periferisk omkring stilken. Hastigheden af is opformering i vedplante stængler er meget større i en langsgående retning end i en lateral og circumfedifferens- retning. 31
Satser for Ice Formering og Barrierer for Ice Formering
Is blev indledt i stammen af en bønne plante (P. vulgaris) på stedet, hvor INA bakterier var blevet placeret (figur 6A, pil). Efter den indledende frysning begivenhed, is opformeret op og ned spindlen (figur 6B-C). Brug af videosekvensen, som har et tidsstempel, og måleafstand på stilken, gør det muligt at beregne hastigheden af is formering over en given afstand. Grafen i figur 6 viser hastigheden af is formering op stilken af bønne plante fra punktet af første frysning og illustrerer en nedsat hastighed af is formering som is passerer gennem nodal region af planten. Ved hjælp af infrarødt termografi også tillader en at bestemme tilstedeværelsen af nogen fysiske barrierer, der forhindrer udbredelsen af is i specifikke væv. Figur 7 </ Strong> illustrerer frysning i en alpin art, Loiseleuria procumbens, hvor den vegetative del (stilk og blade) af anlægget har frosset, men de terminale blomsterknopper forbliver frosne. Isdannelse kom først 126-164 minutter efter frysning af stilken og blade havde fundet sted, og den resulterende exoterme reaktion havde spredes. Som reproduktive skud af alpine træagtige arter frysning følsomme 3,33, er af afgørende betydning til reproduktiv succes frysning unddragelse.
Evne Hydrofobe Hindringer for Block Extrinsic isnukleering induceret Frysning
En tomatplante (Solanum lycopersicum) blev coatet med et hydrofobt kaolin-baseret materiale (figur 8A) for at bestemme, om den hydrofobe barriere kunne blokere extrinsiske isnukleering induceret frysning. Graden af kontakt mellem væskedråber med bladoverfladen var meget større i ubelagte blade (
Figur 1. Høj opløsning Infrarød Radiometer. Modellen viste en FLIR SC-660 Infrarød videokamera.
Figur 2. Beskyttende kabinet til det infrarøde kamera. En akryl boks bruges til at huse kameraet og forhindre kondens dannes på infrarødt kamera under frysning og optøning eksperimenter. (A) Box med top fjernet. (B) Kamera indsat i akryl boks og låget lukket.
Figur 3. Visning og analysere infrarøde billeder og fjernbetjening Camera Control. Skærmbillede fra ResearchIR softwaren. Softwaren bruges til at se live-billedet, ændre kameraindstillinger, optage enkeltbilleder, gør videooptagelser, og analysere temperaturdata i billederne. Sæt på højre viser muligheder for at ændre kameraets indstillinger, mens indsatsen på lavere venstre viser en temperatur histogram af live-billedet.
Figur 4. Ydre nukleation induceret indefrysning af Hosta blad (Hosta spp.). Ufrosset dråber af vand og INA bakterier, Pseudomonas syringae (stamme Cit-7), er til stede på abaxial overflade af bladet (A). INA dråbe fryser først (B) og initierer frysning af bladet (C). Is spredes i hele bladet (D) og på trods indefrysning af bladet, vandet dråbe forbliver frosne (E). Dråbe af vand på overfladen af blade fryser efter at hele bladet er frosset, og er begyndt at køle på dens kanter (F).
Figur 5. Ice initiering og udbredelse i stammen af en træagtig plante (Quercus robur) Venstre panel:. Tværsnit af en træagtig stængel af egetræ. (AH) Indledning af frysning begivenhed i området af phloem og Inderbark (A) og progression af isdannelse omkring spindlen (B - H). Kuprian og Neuner, upubliceret.
Figur 6. Rate is formering i en bønne plante (Phaseolus vulgaris) beregnes ved hjælp af høj opløsning infrarød termografi. (A) Ice indledt i stamceller (pil). (B - C) Ice formering op og ned stilken. Graf øverst i figuren viser hastigheden af is formering præsenteret som afstanden isen rejste over tid, da det flyttede op stilken fra det oprindelige websted for frost. En forsinkelse i jegce formering opstod som is bevæges gennem nodal del af stængel. Dette tal blev ændret fra Wisniewski et al. 24
Figur 7. Barrier til isdannelse i den alpine woody plante, Loiseleuria procumbens (alpine azalea). (A) synligt lys billede af stilken af alpine azalea viser central stilk, vedhæftede blade, og terminal knopper. (B - C) Frysning indledes i stilken og is udbreder ud i blade. Terminal knopper forbliver frosne. (D - E) Terminal knopper fryse uafhængigt 126-164 min efter indledende indefrysning af stilk og blade. I denne periode varmen i enthalpi produceret af indefrysningen af stilken og blade allerede er fordampet. Kuprian og Neuner, unpublished.
Figur 8. Hydrofobe barrierer blokerer ydre nukleation induceret indefrysning af tomat (Solanum Lycopersicon). (A) Hydrofobisk kaolin-baserede materiale anvendes på tomatplanter. (B - C). Reduceret niveau af kontakt mellem bladoverfladen og dråber af væske, der indeholder INA bakterier på coated (B) vs. ikke belagt (C) blade. (D) Ubestrøget plante (til højre) undergår en exoterm reaktion i forbindelse med indefrysning af planten, mens coatede planterester underafkølede, og frosne ved ca. -6 ° C. Dette tal er blevet ændret fra Wisniewski et al. 34
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vand har evnen til at blive underafkølet til temperaturer et stykke under 0 ° C og den temperatur, hvor vand vil fryse kan være ganske variabel. 36. Grænsen temperatur i underafkøling af rent vand er ca. -40 ° C, og er defineret som det homogene nukleationspunkts. Når vand fryser ved temperaturer varmere end -40 ° C er det som følge af tilstedeværelsen af heterogene kimdannelsesmidler at sætte små is embryoner til at danne, der udgør en katalysator for isdannelse og vækst. 37 Der er et væld af molekyler i naturen, som virke som meget effektive is kimdannelsesmidler dermed mest frysning af vand i naturen sker ved temperaturer lige under 0 ° C. Evnen til at regulere eller påvirke aktiviteten af heterogene nukleeringsmidler har et betydeligt potentiale som en ny tilgang til at yde frostbeskyttelse på planter. Forstå, hvordan is former og udbreder i frysning følsomme og frysning-tolerante planter er afgørende for achieving dette mål.
Som anført i indledningen, er forskellige metoder blevet anvendt til at undersøge fryseprocessen i planter under laboratorieforhold imidlertid frysning af planter i naturen er hovedsagelig blevet overvåget med anvendelse af termoelementer. Høj opløsning infrarød termografi (HRIT) 24-28,34, tilbyder flere forskellige fordele som en metode til at studere indefrysning processen i planter. HRIT tillader en at observere den oprindelige sted for isdannelse, antallet af frysning begivenheder, der er nødvendige for at fryse en hel plante, faktisk observere, hvordan is opformeres i en plante, og hvis eventuelle barrierer for is formering er til stede, og afgøre, om eventuelle dele af en plante forbliver isfri. Vigtigst er det tillader en at observere fryseprocessen i hele planter i stedet for små, isolerede dele af en plante, der er blevet fjernet fra moderplanten.
Nærværende rapport beskriver anvendelsen af HRIT til studiet af freezing i intakte planter eller plantedele, og giver flere eksempler på, hvordan denne teknologi kan anvendes til at undersøge flere parametre, som kan påvirke, hvordan og når der dannes is i planter, og hvordan is opformeres. Kritiske aspekter af at gennemføre disse undersøgelser involverer følsomheden og nøjagtigheden af den infrarøde kamera, de parametre, der anvendes i opsætningen af kameraet og optagelse af videosekvenser, afkølingshastigheden den strukturelle / morfologiske kompleksitet af motivet blive set, og viden om infrarød videnskab. Disse elementer vil blive behandlet individuelt.
Følsomhed og nøjagtigheden af den infrarøde kamera (radiometer)
De exoterme begivenheder i frysning af plantevæv, der bliver visualiseret er meget små, lige fra <0,1 til ca. 0,5 ° C. Det infrarøde kamera skal derfor være følsomme nok til nemt at skelne små ændringer i temperaturen. Temperaturnøjagtighed er også et vigtigt aspekt, ogkræver, at kameraet er kalibreret regelmæssigt (mindst en gang om året). Mens dette kan gøres af brugeren, kræver anvendelsen af adskillige sorte legemer, der dækker et bredt temperaturområde. Derfor er det bedst at have kameraet fabrikken kalibreret. Hvis et højt temperaturnøjagtighed er absolut nødvendigt, er det stærkt anbefales at en termoelement skal anvendes sammen med det infrarøde kamera. Dette kan monteres tæt på objektet blive undersøgt for at give et nøjagtigt estimat af lufttemperaturen.
Kameraparametre
Et væld af parametre kan justeres på avancerede, high-end infrarøde kameraer. I at bruge kameraet til at se og / eller optage nedfrysning begivenheder, er det vigtigt, at billedet midling anvendes for at reducere en støjende billede, og dermed gøre det lettere at visualisere plantedele og frysning begivenheder. Billede gennemsnit opstår, når en høj kvalitet billede er valgt i kameraindstillingerne. Da mindre frysningsexoterms forventes, er det også vigtigt, når man kigger fryseprocessen at indstille temperture span af kameraet for at dække en lille temperaturområde (2-5 ° C). Dette er nødvendigt fordi softwaren vil distribuere den valgte farve palette over den fulde spændvidde indstillet til kameraet. Derfor, hvis der er 10 farver i paletten, og man har span indstillet til 100 ° C, deres ville kun være en ændring i farve, hvis der var en 10 ° C temperaturændring. En høj capture sats (ti billeder per sekund) bør anvendes, således at små exoterme begivenheder, som spreder hurtigt, ikke er gået glip af. Der kan vælges forskellige farvepaletter og grå skalaer fra en drop down menu. Udvælgelse af den mest hensigtsmæssige palet bør være baseret på, hvorvidt det giver den bedste mulighed for at visualisere de termiske begivenheder af interesse. Avancerede kameraer tilbyder også flere muligheder for at optage en videosekvens og / eller indfange enkeltbilleder. Der kan vælges en bestemt antal rammer over en indstillede tidsperiode.Dette er bedst ved registrering sekvenser af kort varighed (minutter) snarere end timer. Alternativt kan antallet af billeder per sekund skal angives, og kameraet indstilles til at stoppe optagelsen manuelt eller efter et bestemt antal frames. Avancerede kameraer tilbyder også mulighed for optagelser at påbegynde eller ende baseret på foruddefinerede triggere (temperatur eller tid).
Afkølingshastighed
Det er vigtigt, at temperaturen af plantemateriale bliver set ikke afviger drastisk fra lufttemperaturen under afkøling. Hvis temperaturen sænkes for hurtigt, vil planterne underafkøle og fryse ved en lavere lufttemperatur end de ville under naturlige afkølingshastigheder. De fleste undersøgelser anbefale en afkølingshastighed på 1-2 ° C h-1, især ved temperaturer over -5 ° C, hvilket giver rigelig tid for anlæg til at komme til ligevægt med lufttemperaturen. I virkeligheden kan plantematerialet komme i ligevægt meget hurtigere. Dettekan bestemmes ved at sammenligne temperaturen af plantemateriale med temperaturen af baggrunden omkring planten. Hvis planten er i ligevægt, vil det være vanskeligt at skelne planten fra baggrunden i det infrarøde billede som det vil være ved den samme temperatur som baggrunden og billedet vil synes at være næsten homogen farve.
Strukturelle morfologisk kompleksitet af den genstand, der ses
Da de billeder, der kiggede repræsenterer billeder af temperatur, vil objekter, der overlapper vises som sammenhængende objekter snarere end diskrete objekter. Dette kan gøre kræsne hvor frysning begivenheder forekommende meget vanskeligt og også gøre det sværere at bestemme, hvordan isen bliver opformeret i anlægget. Den bedste måde at håndtere dette problem er at første arbejde med enkle objekter (individuelle blade, stængler, etc.) og derefter bygge op til mere komplekse objekter. Erfaring i at arbejde med specifikke materiale har stor værdi i at håndtere dette problem. Derudover kan evnen til at overlejre det infrarøde billede oven på en digital, synligt lys billede også i høj grad medvirke til at analysere og forstå de infrarøde data.
Kendskab til infrarød videnskab
Selv om det ville være en fordel at være i stand til blot at pege kameraet mod et objekt, og ved, at de data, temperatur modtagne er 100% nøjagtige, at forstå, hvordan infrarød energi interagerer med sine omgivelser, kan i høj grad øge dem forståelse af, hvordan bedst at bruge forskning-grade infrarøde kameraer og fortolke data. Man bør blive lidt fortrolig med vilkår emissivitet, reflektans, og absorbans. For det meste, kan kameraet bruges uden at bekymre sig om disse parametre, men de kan bidrage til at forklare karakteren af det billede, der vises, og dens generelle kvalitet og nøjagtighed. Kort fortalt, når infrarød energi rammer et objekt, kan det være enten reflected eller absorberes og sendes ud. Arten af det objekt, der undersøges, derfor kan påvirke nøjagtigheden af de data, der modtages. Hvis en genstand har en høj reflektans, vil man modtage et billede mere repræsentativ for de omkringliggende objekter, der udsender infrarød energi end selve objektet. Absorbansen af infrarød energi uden emission af infrarød energi kan også føre til at få falske temperaturdata fra det objekt, der undersøges. Kameraet sensorer registrerer udsendte infrarøde energi, derfor er de mest nøjagtige temperaturer opnået fra objekter, der har en høj grad af emissivitet. Heldigvis behøver planter har en høj grad af emissivitet tillader nøjagtige temperaturmålinger. Lavere niveauer af emissivitet kan der kompenseres for ved at justere denne parameter i kameraets indstillinger, som derefter vil bruge en algoritme til at foretage en passende regulering i temperatur udlæsning.
Evnen til nøjagtigt at bestemme, hvordan og hvornår planter fryseer afgørende for at forstå udviklingen i fryse-unddragelse mekanisme og den rolle af virksomhedens struktur i indefrysning processen. Frysning, på trods af sin tilsyneladende enkelhed, er en kompleks proces, og planterne har udviklet et væld af strukturelle tilpasninger for at undgå frysning, inddeler isdannelse, og forhindre udbredelsen af is. Høj opløsning infrarød termografi er en hidtil ukendt og kraftfuldt værktøj, der kan bruges til at studere kompleksiteten af fryseprocessen i planter og føre til udviklingen af effektive nye metoder til frostbeskyttelse. En bedre forståelse af fryse-unddragelse kan også hjælpe os til at forstå, hvordan disse adaptive mekanismer har udviklet sig, og den rolle de spiller i biologi og overlevelse af forskellige plantearter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingen konkurrerende økonomiske interesser eller interessekonflikter.
Acknowledgments
Denne forskning blev finansieret af den østrigske Science Fund (FWF): P23681-B16.
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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wisniewski, M., Glenn, D. M., Gusta, L., Fuller, M. Using infrared thermography to study freezing in plants. HortScience. 43, 1648-1651 (2008).
- Gu, L., et al. The 2007 eastern US spring freeze: increased cold damage in a warming world. BioScience. 58, 253-262 (2008).
- Augspurger, C. K. Spring warmth and frost: phenology, damage, and refoliation in a temperate deciduous forest. Func. Ecol. 23, Spring. 1031-1039 (2007).
- 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).
- 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).
- Hänninen, H., Tanino, K. Tree seasonality in a warming climate. Trends in Plant Science. 16, 412-416 (2011).
- Katz, R. W., Brown, B. G. Extreme events in a changing climate: variability is more important than averages. Climate Change. 21, 289-302 (1992).
- Wisniewski, M., Gusta, L. Understanding plant cold hardiness: an opinion. Physiol. Plant. 147, 4-14 (2013).
- Wisniewski, M., Gusta, L., Neuner, G. Adaptive mechanisms of freeze avoidance in plants. A brief update. Env. Exp. Bot. 99, 133-140 (2014).
- Burke, M. J., Gusta, L. V., Quamme, H. A., Weiser, C. J., Li, P. H.
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ashworth, E. N., Davis, G. A. Ice formation in woody plants under field conditions. HortSci. 21, 1233-1234 (1986).
- 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).
- 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).
- Lutze, J. L., et al. Elevated atmospheric [CO2] promotes frost damage in evergreen tree seedlings. Plant Cell Environ. (6), 631-635 (1998).
- Ball, M. C., et al. Space and time dependence of temperature and freezing in evergreen leaves). Func. Plant Biol. 29 (11), 1259-1272 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Aryal, B., &Neuner, G. Leaf wettability decreases along an extreme altitudinal gradient. Oecologia. 162, 1-9 (2010).
- 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).
- Franks, F. Biophysics and biochemistry at low temperatures. , Cambridge University Press. (1985).
- 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).
