Introduction
Températures qui se produisent lorsque les plantes sont en pleine croissance de congélation peut être mortelle, surtout si la plante a peu ou pas de tolérance au gel. De tels événements gel ont souvent des effets dévastateurs sur la production agricole et peuvent également jouer un rôle important dans la structure des communautés dans les populations naturelles de plantes, en particulier dans les régions alpines, les écosystèmes subarctiques et arctiques 1-6. Les épisodes de sévères gelées de printemps ont eu des répercussions importantes sur la production de fruits dans les États-Unis et Amérique du Sud au cours des dernières années 7-9 et ont été aggravés par l'apparition précoce du temps chaud suivi par basses températures moyennes les plus typiques. Le temps chaud début induit bourgeons de rompre, l'activation de la croissance de nouvelles pousses, feuilles, fleurs et tous qui ont très peu ou pas de gel tolérance 1,3,10-12. Ces aléas météorologiques ont été signalés à être un reflet direct du changement climatique en cours et devraient être un motif de météo commun pour les fores13 eeable avenir. Les efforts visant à fournir des techniques ou des produits agrochimiques gestion économiques, efficaces et respectueuses de l'environnement qui peuvent fournir une tolérance accrue au gel ont eu un succès limité pour une foule de raisons, mais cela peut être attribué en partie à la nature complexe de la tolérance au gel et le gel des mécanismes d'évitement dans les plantes. 14
Les mécanismes adaptatifs associés à la survie du gel dans les plantes ont toujours été divisés en deux catégories, la tolérance au gel et le gel évitement. La première catégorie est associée à des mécanismes biochimiques réglementés par un ensemble spécifique de gènes qui permettent aux plantes de tolérer les contraintes associées à la présence et l'effet déshydratant de glace dans ses tissus. Alors que la dernière catégorie est généralement, mais pas uniquement, associé à des aspects structurels d'une plante qui déterminent si, quand et où les formes de glace dans une usine 14. Malgré la prévalence de l'évitement gel comme une annoncemécanisme aptive, peu de recherches ont été consacrés ces derniers temps pour comprendre les mécanismes sous-jacents et de la réglementation de l'évitement gel. Le lecteur est renvoyé à un examen récent 15 pour plus de détails sur ce sujet.
Alors que la formation de glace à basses températures peut sembler comme un processus simple, de nombreux facteurs contribuent à déterminer la température à laquelle la glace nucléation dans les tissus végétaux et comment il se propage dans la plante. Des paramètres tels que la présence de extrinsèque et intrinsèque de nucléation de la glace, contre les événements de nucléation hétérogènes homogènes, thermique-hystérésis (antigel) protéines, la présence de sucres spécifiques et d'autres osmolytes, et une foule d'aspects structurels de la plante peuvent tous jouer un important rôle dans le processus de congélation dans les plantes. Collectivement, ces paramètres influencent la température à laquelle une plante gèle, où la glace est initiée et comment elle se développe. Ils peuvent également affecter la morphologie des cristaux de glace qui en résultent.Diverses méthodes ont été utilisées pour étudier le procédé de congélation dans les plantes en conditions de laboratoire, y compris la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) 16, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) 17, cryo-microscopie 18 à 19, et la microscopie électronique à balayage à basse température (LTSEM ). 20 congélation de plantes entières dans les paramètres de laboratoire et de terrain, cependant, a été principalement contrôlé avec thermocouples. L'utilisation de thermocouples pour étudier le gel est basé sur la libération de chaleur (enthalpie de fusion) lorsque l'eau subit une transition de phase à partir d'un liquide à un solide. La congélation est alors comptabilisé comme un événement exothermique. 21-23 Même si thermocouples sont la méthode typique de choix dans l'étude de congélation dans les plantes, leur utilisation a de nombreuses limites qui limitent la quantité de renseignements obtenus lors d'un événement de congélation. Par exemple, avec des thermocouples il est difficile de presque impossible de déterminer où la glace est engagée dans les plantes, la façon dont il se propage,si elle se propage à un rythme encore, et si certains tissus restent libres de glace.
Les progrès de la thermographie infrarouge à haute résolution (HRIT) 24-27, cependant, ont augmenté de façon significative la capacité d'obtenir des informations sur le processus de congélation dans les plantes entières, surtout lorsqu'il est utilisé dans un mode d'imagerie différentielle. 28-33 Dans le présent rapport, nous décrire l'utilisation de cette technologie pour étudier divers aspects du processus de congélation et de différents paramètres qui influent sur le lieu et la glace et à quelle température est initiée dans les plantes. Un protocole sera présenté qui permettront de démontrer la capacité de la bactérie glace nucléation-actif (INA), Pseudomonas syringae (Cit-7) pour agir comme un agent de nucléation extrinsèque initier le gel dans une plante herbacée à une température en dessous de zéro élevé.
Caméra infrarouge haute résolution
Le protocole et des exemples documentés dans ce rapport utilisent un infrarouge à haute résolutionvidéo radiomètre. Le radiomètre (figure 1) fournit une combinaison des images infrarouge et visible du spectre et des données de température. La réponse spectrale de la caméra est dans la plage de 7,5 à 13,5 um et fournit 640 x 480 pixels de résolution. Images de spectre visible générés par le haut-appareil photo peut être fusionnée avec l'IR-images en temps réel, ce qui facilite l'interprétation des images thermiques complexes. Une gamme de lentilles de la caméra peut être utilisée pour faire des gros plans et des observations microscopiques. L'appareil peut être utilisé dans un mode autonome ou en interface et contrôlée avec un ordinateur portable utilisant le logiciel propietary. Le logiciel peut être utilisé pour obtenir une variété de données thermiques intégrés dans les vidéos enregistrées. Il est important de noter qu'une grande variété de radiomètres infrarouges sont disponibles dans le commerce. Par conséquent, il est essentiel que le chercheur de discuter de leur application prévue avec un ingénieur de produit compétent et que le chercheur de tester la capacité de tout spécific radiomètre de fournir les informations nécessaires. Le radiomètre d'imagerie utilisée dans le protocole décrit est placé dans une boîte en acrylique (Figure 2) isolé avec polystyrène i n afin de dissuader l'exposition à la condensation pendant les protocoles de réchauffement et de refroidissement. Cette protection est pas nécessaire pour tous les appareils photo ou les applications.
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Protocol
1. Préparation des matières végétales
- Utilisez feuilles ou plantes entières de matériel objet de la plante (Hosta spp. Phaseolus vulgaris) ou.
2. Préparation des solutions d'eau contenant de la glace nucléation actifs (INA) Bactéries
- Culture de la bactérie INA, Pseudomonas syringae (Strain Cit-7) dans des boîtes de Pétri à 25 ° C sur Pseudomonas Agar F préparé avec 10 g / L de 100% de glycérol par la direction du fabricant.
- Après cultures ont augmenté suffisamment, lieu à 4 ° C jusqu'à ce que nécessaire, mais garder à 4 ° C pendant deux jours avant d'assurer un niveau élevé d'activité de nucléation de la glace.
- Racler bactéries à partir d'une seule plaque à partir de la surface de la gélose avec une matière plastique, jetable ou réutilisable spatule métallique au moment de l'emploi et dans 10 à 15 ml d'eau désionisée dans une cuvette jetable de 25 ml. La concentration doit être de l'ordre de 1 x 10 7 à 1 x 10 9 · -1. La solution apparaît trouble. Il n'y a pas besoin de confirmer que la concentration en utilisant un hémocytomètre ou spectrophotomètre, en tant que concentration ne doit pas être approximatives.
- Vortexer la cuve pendant un minimum de 10 secondes pour répartir les bactéries.
Remarque: La concentration spécifique du mélange résultant INA est pas important et le protocole décrit fournira plus de un niveau adéquat de l'activité de nucléation de la glace. Ce mélange de bactéries INA et de l'eau sera utilisé plus tard dans les expériences de nucléation.
3. Mise en place une expérience de congélation
- Placez la caméra infrarouge à haute résolution (SC-660) à l'intérieur de la boîte de protection en acrylique de sorte que les projets de lentille à travers l'ouverture à l'avant de la boîte et les fils de connexion de l'appareil photo à une sortie ordinateur portable ou dispositif d'enregistrement à travers l'ouverture arrière de la boîte . Fixez le couvercle de la boîte et placer la boîte à l'intérieur de la chambre de l'environnement ou au congélateur dans un endroit qui seront tousow la matière objet de l'usine pour être vu.
- Fournir un fond sombre autour de la matière végétale en alignant les parois de la chambre avec du papier de construction noir pour éviter les interférences de l'énergie infrarouge réfléchie.
- Monter la chambre avec un éclairage LED pour minimiser le chauffage de la source de lumière lorsque l'enregistrement d'images dans des longueurs d'onde visibles est nécessaire. Seul un minimum de l'éclairage, comme un placard ou un autre dispositif de lumière petite LED fonctionnant sur batterie, est nécessaire pour que les plantes soient visibles par la caméra.
- Une fois les images visibles de la matière objet de la plante sont prises, éteignez l'éclairage LED. Distribuer toutes les connexions externes filaires (connexion firewire à l'ordinateur, cordon d'alimentation, etc.) à l'appareil photo via un port ou une autre ouverture dans la chambre.
- Remplissez tout espace supplémentaire dans le port ou l'ouverture avec un matériau de mousse isolante pour éviter ou réduire les gradients de température dans la chambre. Réglez la température initiale de la chambre à 1 ° C.
- Aligner les plantes ou parties de plantes de sorte que la matière végétale est au champ de vision de la caméra, et le matériel végétal est visible sur l'écran de visualisation à distance ou dans le logiciel choisie.
- Permettre aux plantes à équilibrer à 1 ° C pendant 30 min à 1 h, en fonction de la taille de la matière végétale, avant de commencer une expérience de congélation contrôlée. Cela garantit que la température de l'usine ne sera pas à la traîne température de l'air par de nombreux degrés une fois l'expérience surgélation. L'équilibrage est réalisé lorsque la température de la matière végétale est à l'intérieur de 0,5 ° C de la température de l'air.
- Placez une couche d'isolation en polystyrène au-dessus du sol de plantes en pot si les plantes en pot sont utilisés. Une fois que les plantes ont équilibrée, commencera de refroidissement de la chambre.
Remarque: La couche d'isolant sur la surface du sol du pot réduit la quantité de la perte continue de la marmite à l'air autour de l'usine de chaleur, et empêche les racines de freezing, car cela ne se produira pas habituellement lors d'un épisode de gel dans la nature en raison de l'énorme réservoir de chaleur résiduelle présente dans le sol.
- Placez une couche d'isolation en polystyrène au-dessus du sol de plantes en pot si les plantes en pot sont utilisés. Une fois que les plantes ont équilibrée, commencera de refroidissement de la chambre.
- Définissez les paramètres de la caméra souhaités (palette de couleurs, la gamme de température, domaines d'intérêt spécifiques, etc.), comme indiqué dans 3.4.1-3.4.4.
- Sélectionnez la palette d'arc en ciel pour afficher les variations de température tout en regardant l'image en direct.
- Régler la plage de température de 5 ° C par ajustement de la barre de température située juste en dessous de l'image dans le logiciel.
- Choisissez l'échelle linéaire (algorithme) pour convertir les données infrarouges dans l'image en fausses couleurs tel que défini par la palette sélectionnée (arc) et définir la plage de la température à 5 ° C et de suivre automatiquement en fonction de l'image. Alternativement, régler la plage de jeu manuellement tout en menant l'expérience.
- Utilisez la température d'un point spécifique ou une température moyenne dans la zone définie d'intérêt prévu par le softwsont. Récupérer les données de température de tous les pixels de la séquence vidéo enregistrée ou de l'information contenue dans le fichier image. La figure 3 montre une capture d'écran typique à partir du logiciel ResearchIR.
- Placez un curseur sur un emplacement sur le tissu végétal qui représente un point d'intérêt particulier. Définir la zone d'intérêt comme points (1 -3 pixels en taille), des boîtes, des lignes, des ellipses, ou des cercles. De multiples combinaisons de points ou de formes peuvent être situés sur l'image.
- Enregistrement d'une séquence vidéo
- Réglez l'appareil photo pour enregistrer à 60 Hz et pour l'enregistrement d'être arrêté manuellement.
- Indiquez l'emplacement sur l'ordinateur ou disque dur externe où le fichier vidéo enregistré sera placé.
- Commencer l'enregistrement.
Remarque: L'enregistrement sur un disque dur externe est fortement recommandée car de gros fichiers vidéo seront générés. Fichiers vidéo enregistrés peuvent être édités plus tard pour ne contenir que la partie contenant le necinformations néces-. Cela contribuera grandement à réduire la taille du fichier. - Baissez la température de la chambre de manière incrémentielle de 0,5 -1.0 ° C. Attendez jusqu'à ce que la température de la plante équilibre avec la température de l'air et puis baisser à nouveau la température de 0,5-1,0 ° C. En fonction de la masse du tissu de la plante est observé et sa morphologie, l'équilibrage peut prendre 10 à 15 min. Ainsi, en donnant une vitesse de refroidissement d'environ 4 ° C / h.
- Continuer ainsi jusqu'à ce que la plante se fige et observations sont complétées. Terminez l'enregistrement lorsque le processus de congélation a été achevée.
Remarque: le tissu végétal est équilibrée avec la température de l'air lorsque la matière végétale et de fond ont la même couleur, car ils sont à la même température. Etant donné que la température de fond et la température du tissu de la plante sont les mêmes, il peut être difficile de visualiser le matériel végétal à nouveau jusqu'à ce que plus la température et il ya différence de température entre le tissu de la plante et unetempérature ir.
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Representative Results
Activité Ice-nucléation de la glace + bactérie, Pseudomonas syringae (souche Cit-7)
Une goutte de 10 ul d'eau et 10 ul d'eau contenant P. syringae (Cit-7) ont été placés sur la surface abaxiale d'une feuille de Hosta (Hosta spp.) (Figure 4). Comme illustré, la goutte d'eau contenant des bactéries INA gelé premier et était responsable de l'induction de la feuille de geler tandis que la goutte d'eau sur la surface de la feuille est restée non gelée.
Congélation et Propagation de glace dans un des plantes ligneuses
Figure 5 illustre à la fois l'initiation de la glace et de la propagation de la glace dans une tige de chêne (Quercus robur). La formation de glace a été initiée dans la région de phloème de cambium vasculaire de la tige et se propage de manière circonférentielle autour de la tige. La vitesse de propagation de la glace dans l'usine tiges ligneuses est beaucoup plus grande dans une direction longitudinale que dans une latérale et circumfedirection rentiel. 31
Tarifs de glace Propagation et obstacles à la propagation de glace
Ice a été lancé dans la tige d'un plant de haricot (P. vulgaris) sur le site où les bactéries INA avaient été placés (figure 6A, flèche). Après l'événement initial de congélation, de la glace propage le long de la tige (figure 6B-C). Utilisation de la séquence vidéo, qui a une estampille temporelle, et en mesurant la distance sur la tige, une permet de calculer la vitesse de propagation de la glace sur une distance donnée. Le graphique de la figure 6 présente la vitesse de propagation de la glace jusqu'à la tige de la plante du haricot du point de congélation initiale et illustre une diminution du taux de propagation de la glace comme de la glace traverse la région nodale de la plante. Utilisation de la thermographie infrarouge permet également de déterminer la présence de barrières physiques qui empêchent la propagation de la glace dans les tissus spécifiques. Figure 7 </ Strong> illustre le gel dans une espèce alpines, Loiseleuria procumbens, où la partie végétative (tige et les feuilles de la plante) a gelés, mais les boutons de fleurs terminaux resteront gelés. La formation de glace n'a pas eu lieu jusqu'à 126 à 164 min après la congélation de la tige et les feuilles avaient eu lieu et la réponse exothermique résultante était dissipée. Comme pousses de reproduction des espèces ligneuses alpines sont le gel sensible 3,33, gel évitement est d'une importance cruciale pour le succès de reproduction.
Capacité des barrières hydrophobes à congélation Bloquer extrinsèque Ice nucléation induite par
Une plante de la tomate (Solanum lycopersicum) a été revêtue d'un matériau à base de kaolin hydrophobe (figure 8A) afin de déterminer si la barrière hydrophobe peut bloquer extrinsèque nucléation de la glace gel induite. Le degré de contact de gouttelettes de liquide avec la surface des feuilles est beaucoup plus importante dans les feuilles non revêtues (
Figure 1. haute résolution infrarouge Radiometer. Le modèle illustré est une caméra FLIR SC-660 Infrarouge Vidéo.
Figure 2. boîtier de protection pour la caméra infrarouge. Une boîte acrylique est utilisé pour loger l'appareil et éviter la formation de condensation sur la caméra infrarouge pendant la congélation et les expériences de décongélation. (A) Box avec dessus enlevé. (B) Caméra inséré dans la boîte en acrylique et le couvercle fermé.
Figure 3. Affichage et analyse des images infrarouges et à distance Capture d'écran Camera Control. À partir du logiciel ResearchIR. Le logiciel est utilisé pour afficher l'image en direct, modifier les paramètres de l'appareil photo, d'enregistrer des images simples, faire des enregistrements vidéo, et d'analyser les données de température dans les images. Insérez le droit montre des options pour changer les paramètres de l'appareil photo tout en insert en bas à gauche montre un histogramme de la température de l'image en direct.
Figure 4. nucléation extrinsèque congélation induite de la feuille Hosta (Hosta spp.). Gouttelettes d'eau non congelés et les bactéries INA, Pseudomonas syringae (souche Cit-7), sont présents sur la surface abaxiale de la feuille (A). INA gouttelette gèle en premier (B) et initie la congélation de la feuille (C). Ice se répand à travers la feuille (D) et malgré le gel de la feuille, la goutte d'eau reste non congelée (E). Gouttelettes d'eau sur la surface de la feuille gèle après la feuille entière a gelé et commence à refroidir sur ses bords (F).
Figure 5. initiation de glace et la propagation dans la tige d'une plante ligneuse (Quercus robur) Panneau gauche:. Croix-section d'une tige ligneuse de chêne. (AH) Ouverture d'événement de congélation dans la région du phloème et le cambium vasculaire (A) et la progression de la formation de glace autour de la tige (B - H). Kuprian et Neuner, inédit.
Figure 6. Taux de propagation de la glace dans un plant de haricot (Phaseolus vulgaris) calculé en utilisant haute résolution thermographie infrarouge. (A) Ice initié en tige (flèche). (B - C) la propagation de la glace vers le haut et vers le bas de la tige. Graphique en haut de la figure affiche la vitesse de propagation de la glace présentée comme la glace de la distance parcourue au cours du temps pendant qu'il se déplaçait jusqu'à la tige à partir du site original de congélation. Un retard dans ipropagation des CE a eu lieu sous forme de glace déplacé à travers la partie nodale de la tige de la plante. Ce chiffre a été modifié à partir de Wisniewski et al. 24
Figure 7. Barrière à la formation de glace dans la plante ligneuse alpin, Loiseleuria procumbens (azalée alpine). (A) de l'image La lumière visible de la tige de l'azalée couchée montrant tige centrale, feuilles attachées, et les bourgeons terminaux. (B - C) de congélation est initiée dans la tige et la glace se propage dans des feuilles. Les bourgeons terminaux restent gelés. (D - E) Les bourgeons terminaux gèlent indépendamment 126-164 min après congélation initiale de la tige et les feuilles. Pendant ce temps, la chaleur d'enthalpie produite par le gel de la tige et les feuilles a déjà dissipée. Kuprian et Neuner, unpublished.
Figure 8. barrières hydrophobes bloquent extrinsèque nucléation induite par congélation de la tomate (Solanum lycopersicon). (A) de matériau à base de kaolin hydrophobe appliqué sur les plants de tomates. (B - C). Réduction du niveau de contact entre la surface des feuilles et des gouttes de liquide contenant des bactéries INA sur revêtu (B) en fonction de non couché (C) des feuilles. (D) de l'usine brut (à droite) subit une réaction exothermique associée à la congélation de la plante tout en plantes revêtu reste en surfusion, et non gelés à environ -6 ° C. Ce chiffre a été modifié depuis Wisniewski et al. 34
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Discussion
L'eau a la capacité de surfusion à des températures bien inférieures à 0 ° C et la température à laquelle l'eau va geler peut être très variable. 36 La limite de température pour la surfusion de l'eau pure est d'environ -40 ° C et est défini comme le point de nucléation homogène. Quand l'eau gèle à des températures plus chaudes que -40 ° C, il est provoquée par la présence de hétérogène de nucléation qui permettent de petits embryons de glace pour former qui servent alors comme un catalyseur pour la formation de la glace et de la croissance. 37 Il existe une multitude de molécules dans la nature qui agir comme très efficaces agents de nucléation de la glace, donc plus congélation de l'eau dans la nature se produit à des températures en dessous de 0 ° C. La capacité de réglementer ou d'influencer l'activité des agents de nucléation hétérogènes dispose d'un potentiel important en tant que nouvelle approche pour fournir une protection contre le gel pour les plantes. Comprendre comment les formes de glace et se propage dans le gel des plantes sensibles et de congélation tolérant est essentielle pour achieving cet objectif.
Comme indiqué dans l'introduction, diverses méthodes ont été utilisées pour étudier le processus de congélation dans les plantes dans des conditions de laboratoire, cependant, gel des plantes dans la nature a été principalement contrôlé avec l'utilisation de thermocouples. Thermographie infrarouge à haute résolution (HRIT) 24-28,34, offre plusieurs avantages distincts comme une méthode pour étudier le processus de congélation dans les plantes. HRIT permet d'observer le site initial de la formation de glace, le nombre d'événements de congélation nécessaires pour geler une plante entière, fait observer comment la glace se propage dans une plante et si tous les obstacles à la propagation de la glace sont présents, et de déterminer si des parties d'un plantes restent libre de glace. Surtout, il permet d'observer le processus de congélation dans les plantes entières plutôt que de petites portions isolées d'une plante qui ont été retirés de la plante mère.
Le présent rapport décrit l'application de HRIT à l'étude de freezING en plantes intactes ou parties de plantes, et fournit plusieurs exemples de la façon dont cette technologie peut être utilisée pour examiner plusieurs paramètres qui peuvent influencer la façon et quand la glace se forme dans les plantes, et comment la glace est propagée. Les aspects critiques de la conduite de ces études portent sur la sensibilité et la précision de la caméra infrarouge, les paramètres utilisés dans la configuration de la caméra et l'enregistrement de séquences vidéo, la vitesse de refroidissement, la complexité structurelle / morphologique de l'objet en cours de visualisation, et des connaissances sur la science infrarouge. Ces articles seront adressés individuellement.
La sensibilité et la précision de la caméra infrarouge (radiomètre)
Les événements exothermiques en cours de congélation des tissus végétaux qui sont visualisés sont très petites, allant de <0,1 à environ 0,5 ° C. Par conséquent, la caméra infrarouge doit être suffisamment sensible pour distinguer facilement de petites variations de température. Précision de la température est également un aspect important etexige que l'appareil est calibré sur une base régulière (au moins une fois par an). Alors que ceci peut être fait par l'utilisateur, il nécessite l'utilisation de plusieurs corps noirs couvrant une large gamme de températures. Par conséquent, il est préférable d'avoir l'usine calibré caméra. Si un haut niveau de précision de la température est absolument nécessaire, il est fortement recommandé que un thermocouple être utilisé en conjonction avec la caméra infrarouge. Cela peut être monté près de l'objet à l'étude pour donner une estimation précise de la température de l'air.
paramètres de l'appareil photo
Une foule de paramètres peut être réglé sur avancées, haut de gamme des caméras infrarouges. En utilisant l'appareil photo pour afficher et / ou enregistrer les événements de congélation, il est important que l'image moyenne être utilisé afin de réduire une image bruitée, rendant ainsi plus facile de visualiser des parties de plantes et des événements de congélation. Image en moyenne se produit quand une image de haute qualité est sélectionné dans les réglages de l'appareil. Depuis mineure dégagement de chaleur de congélations sont attendus, il est également important lors de la visualisation du processus de congélation pour définir la durée de temperture de la caméra pour couvrir une petite plage de température (2-5 ° C). Cela est nécessaire car le logiciel va distribuer le pallette de couleur sélectionnée sur toute la durée fixée pour la caméra. Par conséquent, si il ya 10 couleurs de la palette et on a la durée fixée à 100 ° C, leur ne serait qu'un changement de couleur si il y avait un changement de 10 ° C de la température. Un taux de capture élevé (dix images par seconde) doit être utilisé afin que les petits événements exothermiques, qui se dissipent rapidement, ne sont pas manquées. Différentes palettes de couleurs et niveaux de gris peuvent être sélectionnées à partir d'un menu déroulant. Sélection de la palette la plus appropriée devrait être fondée sur si oui ou non il offre la meilleure option pour visualiser les événements thermiques d'intérêt. Caméras avancées offrent également plusieurs options pour l'enregistrement d'une séquence vidéo et / ou de capturer des images simples. Un certain nombre de cadres sur une durée de temps ensemble peut être sélectionné.Il est préférable pour les séquences d'enregistrement de courte durée (minutes) plutôt que des heures. Alternativement, le nombre d'images par seconde peut être indiqué et la caméra réglée pour arrêter l'enregistrement manuellement ou après un certain nombre de cadres. Caméras avancées offrent également la possibilité pour les enregistrements de commencer ou de fin sur la base de déclencheurs prédéfinis (température ou de temps).
La vitesse de refroidissement
Il est important que la température de la matière végétale en cours de visualisation ne diffère pas considérablement de la température de l'air pendant le refroidissement. Si la température est abaissée trop vite, les plantes surfusion et congeler à une température de l'air inférieurs à ce qu'ils feraient dans les taux de refroidissement naturels. La plupart des études recommandent une vitesse de refroidissement de 1-2 ° C h -1, en particulier à des températures supérieures à -5 ° C, qui fournit suffisamment de temps pour que les plantes sont à l'équilibre avec la température de l'air. En réalité, le matériel végétal peut entrer en équilibre beaucoup plus rapide. Cettepeut être déterminée en comparant la température de la matière végétale avec la température de l'arrière-plan autour de la plante. Si la plante est en équilibre, il sera difficile de discerner la plante de son arrière-plan dans l'image infrarouge car il sera à la même température que l'arrière-plan et l'image apparaîtra à être presque homogène en couleur.
La complexité structurelle morphologique de l'objet observé
Depuis les images en cours de visualisation représentent des images de la température, des objets qui se chevauchent apparaissent comme des objets contigus plutôt que des objets discrets. Cela peut faire discerner où les événements se produisant congélation sont très difficile et aussi augmenter la difficulté à déterminer la façon dont la glace est propagé dans l'usine. La meilleure façon de traiter ce problème est d'abord travailler avec des objets simples (feuilles individuelles, tiges, etc.) et ensuite construire jusqu'à des objets plus complexes. Expérience de travail avec ma spécifiqueriau a une grande valeur dans le traitement de ce problème. En outre, la possibilité de superposer l'image infrarouge sur le dessus d'une image numérique, la lumière visible peut aussi aider grandement dans l'analyse et la compréhension des données infrarouges.
Connaissance de la science infrarouge
Bien qu'il serait avantageux d'être en mesure de simplement pointer la caméra sur un objet et de savoir que les données de température reçues sont précis à 100%, de comprendre comment l'énergie infrarouge interagit avec son environnement peut augmenter considérablement celles compréhension de la meilleure façon d'utiliser la recherche de qualité caméras infrarouges et d'interpréter les données. Il faut devenir un peu familier avec les termes émissivité, réflectance, et l'absorbance. Pour la plupart, l'appareil peut être utilisé sans se soucier de ces paramètres, cependant, ils peuvent aider à expliquer la nature de l'image affichée et sa qualité générale et l'exactitude. En bref, quand l'énergie infrarouge frappe un objet, il peut être soit reflected ou absorbé puis émis. La nature de l'objet à l'étude, par conséquent, peuvent affecter la précision des données en cours de réception. Si un objet a une haute réflectance, on va recevoir une image plus représentative des objets environnants qui sont émettre de l'énergie infrarouge que l'objet lui-même. Absorbance de l'énergie infrarouge sans émettre de l'énergie infrarouge peut aussi conduire à l'obtention de données de température de la faux objet étudié. Les capteurs de caméra détectent l'énergie infrarouge émis, par conséquent, les températures les plus précis sont obtenus à partir des objets qui ont un niveau élevé de l'émissivité. Heureusement, les plantes ne présentent un niveau élevé de émissivité permettant des mesures précises de la température. Les niveaux inférieurs de émissivité peuvent être compensées en ajustant ce paramètre dans les réglages de l'appareil qui sera ensuite utiliser un algorithme pour faire un ajustement approprié dans la lecture de la température.
La capacité à déterminer quand et comment les plantes se congèlent précisionest essentiel à la compréhension de l'évolution d'un mécanisme de gel-évitement et le rôle de la structure de la plante dans le processus de congélation. Congélation, malgré son apparente simplicité, est un processus complexe et les plantes ont évolué une foule d'adaptations structurelles pour éviter le gel, compartimenter la formation de glace, et de prévenir la propagation de la glace. Haute résolution thermographie infrarouge est un outil original et puissant qui peut être utilisé pour étudier la complexité du processus de congélation dans les plantes et conduire au développement de nouvelles méthodes efficaces de protection contre le gel. Une meilleure compréhension de gel-évitement peut aussi nous aider à comprendre comment ces mécanismes d'adaptation ont évolué, et le rôle qu'ils jouent dans la biologie et la survie des espèces de plantes différentes.
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Disclosures
Les auteurs ont aucun intérêt ou de conflits d'intérêts financiers concurrents.
Acknowledgments
Cette recherche a été financée par le Fonds autrichien pour la science (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. Freezing and injury in plants. Annu. Rev. Plant Physiol. 27, 507-528 (1976).
- 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).
