संयंत्रों में बर्फ nucleation और आइस-प्रचार के अध्ययन के लिए उच्च संकल्प इन्फ्रारेड Thermography (HRIT) का प्रयोग

Introduction

पौधों को सक्रिय रूप से बढ़ रहे होते हैं कि जब तापमान हिमांक से संयंत्र कम या कोई ठंड सहिष्णुता है, खासकर यदि घातक हो सकता है। इस तरह की ठंढ घटनाओं अक्सर कृषि उत्पादन पर विनाशकारी प्रभाव है और यह भी विशेष रूप से अल्पाइन, उप आर्कटिक और आर्कटिक पारिस्थितिकी प्रणालियों ^1-6 में, पौधों के प्राकृतिक आबादी में समुदाय संरचना को आकार देने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकते हैं। गंभीर वसंत frosts के प्रकरणों हाल के वर्षों ^7-9 में संयुक्त राज्य अमेरिका और दक्षिण अमेरिका में फल उत्पादन पर प्रमुख प्रभाव पड़ा है और अधिक विशिष्ट मतलब कम तापमान के द्वारा पीछा गर्म मौसम के शीघ्र शुरू होने से विकट हो गया है। जल्दी गर्म मौसम कोई ठंढ सहिष्णुता ^1,3,10-12 करने के लिए बहुत कुछ किया है, जो सभी के नई गोली मारता है, पत्तियों और फूलों के विकास को सक्रिय करने, तोड़ने के लिए कलियों को प्रेरित करता है। इस तरह के अनियमित मौसम के मिजाज में चल रहे जलवायु परिवर्तन का एक सीधा प्रतिबिंब होने की सूचना दी गई है और fores के लिए एक आम मौसम पैटर्न होने की उम्मीद कर रहे हैंeeable भविष्य ^13। वृद्धि की ठंढ सहिष्णुता प्रदान कर सकते हैं, किफायती, प्रभावी और पर्यावरण के अनुकूल प्रबंधन तकनीकों या एग्रोकेमिकल्स उपलब्ध कराने के प्रयास के कारणों में से एक मेजबान के लिए सीमित सफलता मिली है लेकिन यह आंशिक रूप से सहिष्णुता ठंड और पौधों में परिहार तंत्र ठंड के जटिल प्रकृति के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। ¹⁴

पौधों में ठंढ अस्तित्व के साथ जुड़े अनुकूली तंत्र को पारंपरिक सहिष्णुता ठंड और परिहार ठंड, दो श्रेणियों में विभाजित किया गया है। पूर्व श्रेणी के पौधों की उपस्थिति और अपने ऊतकों में बर्फ की dehydrative प्रभाव के साथ जुड़े तनाव को सहन करने की अनुमति देते हैं कि जीन की एक विशिष्ट सेट द्वारा विनियमित जैव रासायनिक तंत्र के साथ जुड़ा हुआ है। श्रेणी के बाद आम तौर पर है, लेकिन न केवल, एक संयंत्र ¹⁴ में संरचनात्मक, तो यह निर्धारित है कि एक संयंत्र के पहलुओं, कब, और जहां बर्फ रूपों के साथ जुड़ा हुआ है। एक विज्ञापन के रूप में फ्रीज परिहार के प्रसार के बावजूदaptive तंत्र, छोटे से अनुसंधान अंतर्निहित तंत्र और फ्रीज परिहार के नियमन को समझने के लिए हाल के दिनों में समर्पित किया गया है। पाठक इस विषय पर अधिक से अधिक जानकारी के लिए एक हाल की समीक्षा ¹⁵ के लिए भेजा है।

कम तापमान पर बर्फ के गठन के लिए एक सरल प्रक्रिया की तरह लग सकता है, कई कारकों यह संयंत्र के भीतर फैलता संयंत्र के ऊतकों में जो बर्फ nucleates और कैसे पर तापमान का निर्धारण करने के लिए योगदान करते हैं। ऐसे nucleators बाह्य और आंतरिक बर्फ की उपस्थिति, विषम बनाम सजातीय nucleation घटनाओं, थर्मल-हिस्टैरिसीस (एंटीफ्ऱीज़र) प्रोटीन, विशिष्ट शर्करा और अन्य osmolytes की उपस्थिति, और संयंत्र के संरचनात्मक पहलुओं में से एक मेजबान के रूप में पैरामीटर सब कर सकते हैं एक महत्वपूर्ण खेलने पौधों में जमने की प्रक्रिया में भूमिका। सामूहिक रूप से, इन मानकों बर्फ शुरू की है और यह बढ़ता कैसे किया जाता है, जहां एक संयंत्र, जमा देता है, जिस पर तापमान को प्रभावित करती है। उन्होंने यह भी जिसके परिणामस्वरूप बर्फ क्रिस्टल की आकृति विज्ञान को प्रभावित कर सकते हैं।विभिन्न तरीकों LTSEM (परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी (एनएमआर) ^16, चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) ^17, क्रायो माइक्रोस्कोपी ^18-19, और कम तापमान स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी सहित प्रयोगशाला परिस्थितियों के तहत पौधों में जमने की प्रक्रिया का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है )। प्रयोगशाला और क्षेत्र सेटिंग्स में पूरे पौधों की ²⁰ ठंड, हालांकि, मुख्य रूप से thermocouples के साथ नजर रखी जा चुकी है। ठंड का अध्ययन करने के thermocouples का उपयोग पानी एक ठोस करने के लिए एक तरल से एक चरण संक्रमण से होकर गुजरती है, जब गर्मी की मुक्ति (संलयन की तापीय धारिता) पर आधारित है। बर्फ़ीली तो एक एक्ज़ोथिर्मिक घटना के रूप में दर्ज की गई है। ^21-23 thermocouples के पौधों में ठंड का अध्ययन करने में पसंद की विशिष्ट पद्धति हालांकि, उनके उपयोग एक ठंड घटना के दौरान प्राप्त जानकारी की राशि की सीमा है कि कई सीमाएं हैं। उदाहरण के लिए, thermocouples के साथ है, इसे प्रसारित कैसे बर्फ, पौधों में शुरू की है, जहां निर्धारित करने के लिए लगभग असंभव करने के लिए मुश्किल है,यह भी एक दर पर प्रसारित हैं, और कुछ ऊतकों बर्फ से मुक्त रहते हैं।

उच्च संकल्प इन्फ्रारेड Thermography (HRIT) ^24-27 के क्षेत्र में अग्रिम, हालांकि, काफी अंतर इमेजिंग मोड में प्रयोग किया जाता है, खासकर जब पूरे पौधों में जमने की प्रक्रिया के बारे में जानकारी प्राप्त करने की क्षमता में वृद्धि हुई है। ^28-33 वर्तमान रिपोर्ट में, हम जमने की प्रक्रिया के विभिन्न पहलुओं और कहाँ और और क्या तापमान बर्फ पर पौधों में शुरू की है कि प्रभावित विभिन्न मानकों का अध्ययन करने के लिए इस तकनीक के उपयोग का वर्णन। एक प्रोटोकॉल एक उच्च, subzero तापमान पर एक घास के पौधे में ठंड की शुरुआत एक बाह्य nucleator के रूप में कार्य करने के लिए बर्फ न्यूक्लिएशन सक्रिय (आईएनए) जीवाणु की क्षमता, स्यूडोमोनास syringae (सी आई टी -7) का प्रदर्शन होगा कि प्रस्तुत किया जाएगा।

उच्च संकल्प इन्फ्रारेड कैमरा

इस रिपोर्ट में दर्ज़ प्रोटोकॉल और उदाहरण अवरक्त एक उच्च संकल्प का उपयोगवीडियो रेडियोमीटर। रेडियोमीटर (चित्रा 1) अवरक्त और दृश्य स्पेक्ट्रम छवियों और तापमान डेटा का एक संयोजन आपूर्ति करती है। कैमरे के वर्णक्रमीय प्रतिक्रिया 7.5-13.5 माइक्रोन की रेंज में है और 640 x 480 पिक्सल रिजोल्यूशन प्रदान करता है। द्वारा उत्पन्न दृश्य स्पेक्ट्रम छवियों कैमरे में बनाया परिसर, थर्मल छवियों की व्याख्या की सुविधा है, जो वास्तविक समय में आईआर-छवियों के साथ जुड़े हुए किया जा सकता है। कैमरे के लिए लेंस की एक सीमा बंद हुआ और सूक्ष्म टिप्पणियों बनाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। कैमरा एक स्टैंड-अलोन मोड में प्रयोग किया जाता है, या interfaced और मालिकाना सॉफ्टवेयर का उपयोग कर एक लैपटॉप के साथ नियंत्रित किया जा सकता है। सॉफ्टवेयर दर्ज की गई वीडियो में एम्बेडेड थर्मल डेटा की एक किस्म प्राप्त करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। यह अवरक्त radiometers की एक विस्तृत विविधता व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं कि नोट के लिए महत्वपूर्ण है। इसलिए, यह शोधकर्ता एक जानकार उत्पाद इंजीनियर के साथ उनका इरादा आवेदन पर चर्चा और शोधकर्ता किसी भी specifi की क्षमता का परीक्षण जरूरी है किसी रेडियोमीटर आवश्यक जानकारी प्रदान करने के लिए। वर्णित प्रोटोकॉल में इस्तेमाल किया इमेजिंग रेडियोमीटर एक एक्रिलिक बॉक्स में स्टायरोफोम मैं n वार्मिंग और ठंडा प्रोटोकॉल के दौरान संक्षेपण के लिए जोखिम निबटने के आदेश के साथ अछूता (चित्रा 2) रखा गया है। यह संरक्षण सभी कैमरों या अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक नहीं है।

Protocol

पौधों की सामग्री के 1. तैयारी

1. विषय संयंत्र सामग्री के दोनों पत्ते या पूरे पौधों (Hosta एसपीपी। या Phaseolus vulgaris) का प्रयोग करें।

आइस Nucleation सक्रिय (आईएनए) बैक्टीरिया युक्त जल समाधान की 2. तैयारी

1. संस्कृति आईएनए जीवाणु, स्यूडोमोनास syringae 25 डिग्री सेल्सियस स्यूडोमोनास पर अग्रवाल एफ में पेट्री डिश में (तनाव सीआईटी-7) के लिए निर्माता की दिशा प्रति 100% ग्लिसरॉल के 10 ग्राम / एल के साथ तैयार किया।
2. संस्कृतियों 4 डिग्री सेल्सियस पर पर्याप्त जगह हो गए हैं के बाद की जरूरत है, लेकिन बर्फ न्यूक्लिएशन गतिविधि के एक उच्च स्तर को सुनिश्चित करने के लिए पहले दो दिनों के लिए 4 डिग्री सेल्सियस पर रखने के लिए जब तक।
3. डिस्पोजेबल, एक प्लास्टिक के साथ अगर की सतह से एक ही थाली से बैक्टीरिया परिमार्जन या फिर से प्रयोग करने योग्य धातु रंग का उपयोग करें और जगह के समय में विआयनीकृत पानी के 10-15 मिलीलीटर में एक 25 मिलीलीटर डिस्पोजेबल क्युवेट में। एकाग्रता ^· 1 10 x ⁷ एक्स 1 से 10 ⁹ की श्रेणी में होना चाहिए -1। समाधान से बादल दिखाई देंगे। एकाग्रता केवल अनुमानित जरूरत हो के रूप में एक hemocytometer या स्पेक्ट्रोफोटोमीटर का उपयोग एकाग्रता पुष्टि करने के लिए कोई जरूरत नहीं है।
4. बैक्टीरिया वितरित करने के लिए 10 सेकंड की एक न्यूनतम के लिए क्युवेट भंवर।
   नोट: जिसके परिणामस्वरूप आईएनए मिश्रण का विशिष्ट एकाग्रता महत्वपूर्ण नहीं है और वर्णित प्रोटोकॉल बर्फ न्यूक्लिएशन गतिविधि का एक पर्याप्त स्तर की तुलना में अधिक प्रदान करेगा। आईएनए बैक्टीरिया और पानी के इस मिश्रण न्यूक्लिएशन प्रयोगों में बाद में इस्तेमाल किया जाएगा।

3. एक बर्फ़ीली प्रयोग सेट

1. सुरक्षात्मक एक्रिलिक बॉक्स के अंदर उच्च संकल्प कैमरा अवरक्त (अनुसूचित जाति-660) रखें तो यह है कि बॉक्स के सामने खोलने के माध्यम से लेंस परियोजनाओं और बॉक्स के पीछे खोलने के माध्यम से एक लैपटॉप या रिकॉर्डिंग डिवाइस बाहर निकलने के लिए कैमरे को जोड़ने के तार । बॉक्स के ढक्कन सुरक्षित है और एक स्थान में पर्यावरण कक्ष या फ्रीजर के अंदर बॉक्स जगह है कि सब होगाओउ विषय संयंत्र सामग्री देखा जाना चाहिए।
   1. परिलक्षित अवरक्त ऊर्जा से हस्तक्षेप को रोकने के लिए काले निर्माण कागज के साथ कक्ष की दीवारों अस्तर द्वारा संयंत्र सामग्री के चारों ओर एक काले रंग की पृष्ठभूमि प्रदान करें।
   2. दिखाई दे तरंग दैर्ध्य में रिकॉर्डिंग छवियों की आवश्यकता है जब प्रकाश स्रोत से हीटिंग कम करने के लिए एलईडी प्रकाश व्यवस्था के साथ चैम्बर फ़िट। पौधों कैमरे द्वारा दिखाई करने के लिए इस तरह के एक बैटरी चालित कोठरी प्रकाश या अन्य छोटे एलईडी डिवाइस के रूप में प्रकाश का केवल एक न्यूनतम आवश्यकता होती है।
      1. विषय संयंत्र सामग्री के दृश्य चित्र लिया जाता है एक बार, एलईडी प्रकाश व्यवस्था बंद कर देते हैं। एक बंदरगाह या चैम्बर में अन्य उद्घाटन के माध्यम से कैमरे के लिए सभी बाहरी वायर्ड कनेक्शन (कंप्यूटर के लिए FireWire कनेक्शन, बिजली कॉर्ड, आदि) बांटो।
   3. बचने के लिए या कक्ष के भीतर तापमान ढ़ाल कम करने के लिए फोम सामग्री इन्सुलेट के साथ बंदरगाह या खोलने में किसी भी अतिरिक्त स्थान भरें। 1 डिग्री सेल्सियस पर चैंबर के प्रारंभिक तापमान सेट करें।
2. संयंत्र सामग्री कैमरा के क्षेत्र के दृश्य में है और संयंत्र सामग्री दूरदराज के देखने के लिए स्क्रीन पर या चुना सॉफ्टवेयर के भीतर दिखाई दे रहा है तो यह है कि पौधों या संयंत्र भागों संरेखित करें।
3. पौधों से पहले एक नियंत्रित ठंड प्रयोग की शुरुआत करने के लिए, संयंत्र सामग्री के आकार पर निर्भर करता है, 1 घंटे के लिए 30 मिनट के लिए 1 डिग्री सेल्सियस पर संतुलित करने की अनुमति दें। इस ठंड प्रयोग शुरू की है एक बार संयंत्र के तापमान में कई डिग्री से हवा के तापमान से पीछे नहीं होगा सुनिश्चित करता है। संयंत्र सामग्री का तापमान हवा के तापमान के 0.5 डिग्री सेल्सियस के भीतर है जब संतुलन हासिल की है।
   1. कमरों का पौधों का इस्तेमाल कर रहे हैं तो कमरों का पौधों की मिट्टी के शीर्ष पर स्टायरोफोम इन्सुलेशन की एक परत रखें। पौधों equilibrated कर लेते हैं, चैंबर के शीतलन शुरू।
      नोट: बर्तन की मिट्टी की सतह पर इन्सुलेशन की परत संयंत्र के आसपास हवा के बर्तन से जारी गर्मी के नुकसान की मात्रा कम कर देता है, और fre से जड़ों से बचाता हैezing, इस के रूप में आम तौर पर होने के कारण मिट्टी में अवशिष्ट गर्मी वर्तमान की भारी जलाशय के लिए प्रकृति में एक ठंढ घटना के दौरान घटित नहीं होता।
4. 3.4.1-3.4.4 में चर्चा की, वांछित कैमरा मानकों (रंग पैलेट, तापमान रेंज, हित के विशिष्ट क्षेत्रों, आदि) सेट करें।
   1. लाइव छवि को देखते हुए तापमान परिवर्तनों को प्रदर्शित करने के लिए इंद्रधनुष पैलेट का चयन करें।
   2. सिर्फ सॉफ्टवेयर में छवि के नीचे स्थित तापमान बार समायोजन करके 5 डिग्री सेल्सियस तक तापमान अवधि निर्धारित करें।
   3. चयनित पैलेट (इंद्रधनुष) द्वारा परिभाषित के रूप में झूठी रंग छवि में अवरक्त डेटा परिवर्तित करने के लिए रैखिक पैमाने (कलन विधि) चुनें और 5 डिग्री सेल्सियस तक तापमान की सीमा निर्धारित करने और छवि के आधार पर स्वचालित रूप से ट्रैक करने के लिए। प्रयोग का आयोजन करते हुए वैकल्पिक रूप से मैन्युअल रूप से सेट श्रृंखला को समायोजित।
      1. Softw द्वारा प्रदान की जाने वाली ब्याज की परिभाषित क्षेत्र के भीतर एक विशिष्ट बिंदु के तापमान या एक औसत तापमान का प्रयोग करेंकर रहे हैं। । रिकॉर्ड वीडियो अनुक्रम से या छवि फ़ाइल में एम्बेडेड जानकारी से सभी पिक्सल का तापमान डेटा प्राप्त 3 ResearchIR सॉफ्टवेयर के भीतर से एक ठेठ स्क्रीनशॉट पता चलता है।
   4. ब्याज की एक विशिष्ट बिंदु का प्रतिनिधित्व करता है कि संयंत्र के ऊतकों पर एक स्थान पर एक कर्सर रखें। अंक (आकार में 1 -3 पिक्सल), बक्से, लाइनों, ellipses, या हलकों के रूप में रुचि के क्षेत्र को परिभाषित करें। अंक या आकृतियों के कई संयोजन छवि पर स्थित किया जा सकता है।
5. एक वीडियो दृश्य रिकॉर्डिंग
   1. 60 हर्ट्ज पर और रिकॉर्डिंग मैन्युअल रूप से बंद कर दिया जा करने के लिए रिकॉर्ड करने के लिए कैमरा सेट करें।
   2. रिकॉर्ड वीडियो फ़ाइल रखा जाएगा, जहां कंप्यूटर या बाहरी ड्राइव पर स्थान का संकेत मिलता है।
   3. रिकॉर्डिंग शुरू।
      नोट: बड़े वीडियो फाइल उत्पन्न हो जाएगा के बाद से एक बाहरी हार्ड ड्राइव के लिए रिकॉर्डिंग अत्यधिक की सिफारिश की है। रिकार्ड किए गए वीडियो फ़ाइलों को बाद में पूर्वोत्तर युक्त ही भाग शामिल करने के लिए संपादित किया जा सकताcessary जानकारी। यह बहुत फ़ाइल आकार कम हो जाएगा।
   4. 0.5 -1.0 डिग्री सेल्सियस से संवर्द्धित चैम्बर के तापमान को कम। संयंत्र तापमान हवा के तापमान के साथ equilibrates तक प्रतीक्षा करें और फिर 0.5-1.0 डिग्री सेल्सियस से फिर से तापमान कम है। संयंत्र मनाया जा रहा है ऊतक और इसकी आकृति विज्ञान की बड़े पैमाने पर निर्भर करता है, संतुलन 10 मिनट 15 के लिए ले सकते हैं। इस प्रकार, के बारे में 4 डिग्री सेल्सियस / घंटा की एक ठंडा दर दे रही है।
   5. संयंत्र जमा देता है और टिप्पणियों पूरा कर रहे हैं जब तक इस तरह से जारी रखें। जमने की प्रक्रिया पूरी हो गई है जब रिकार्डिंग समाप्ति।
      नोट: वे एक ही तापमान पर हैं के बाद से संयंत्र सामग्री और पृष्ठभूमि एक ही रंग के होते हैं, जब संयंत्र के ऊतकों हवा के तापमान के साथ equilibrated गया है। पृष्ठभूमि तापमान और संयंत्र के ऊतकों के तापमान में एक ही होती है, इसलिए आप फिर से तापमान कम और संयंत्र के ऊतकों और एक के तापमान के बीच अंतर नहीं है जब तक संयंत्र सामग्री कल्पना करने के लिए मुश्किल हो सकता हैआईआर तापमान।

Representative Results

आइस + जीवाणु की आइस nucleating गतिविधि, स्यूडोमोनास syringae (तनाव सीआईटी-7)

एक 10 μl पानी की बूंद और पी युक्त पानी के 10 μl syringae (सी आई टी-7) एक Hosta पत्ती के abaxial सतह पर रखा गया (Hosta एसपीपी।) (चित्रा 4)। सचित्र, आईएनए बैक्टीरिया युक्त पानी की बूंद पहले सील कर दी और पत्ती की सतह पर पानी की बूंद unfrozen बने रहे, जबकि फ्रीज करने के लिए पत्ती उत्प्रेरण के लिए जिम्मेदार था।

एक वुडी संयंत्र में ठंड और बर्फ प्रचार

चित्रा 5 ओक (Quercus robur) के एक स्टेम में बर्फ दीक्षा और बर्फ के प्रचार के लिए दोनों को दिखाता है। आइस गठन के तने के संवहनी केंबियम फ्लोएम क्षेत्र में शुरू की है और स्टेम के आसपास circumferentially प्रचारित किया गया था। वुडी संयंत्र में बर्फ के प्रसार की दर उपजी एक पार्श्व और circumfe की तुलना में एक अनुदैर्ध्य दिशा में बहुत अधिक हैrential दिशा। ³¹

आइस-प्रचार की दरें और आइस-प्रचार के लिए अवरोध

आइस आईएनए बैक्टीरिया (चित्रा 6A, तीर) रखा गया था, जहां स्थल पर एक सेम संयंत्र (पी vulgaris) के तने में शुरू किया गया था। प्रारंभिक ठंड घटना के बाद, बर्फ के ऊपर प्रचारित और स्टेम नीचे (चित्रा 6B-सी)। एक समय टिकट है, जो वीडियो अनुक्रम का उपयोग कर, और स्टेम पर दूरी को मापने, एक निश्चित दूरी पर बर्फ प्रसार की दर की गणना करने के लिए एक सक्षम बनाता है। चित्रा 6 में ग्राफ प्रारंभिक ठंड के बिंदु से सेम पौधे के तने के ऊपर बर्फ प्रसार की दर प्रस्तुत करता है और बर्फ संयंत्र के नोडल क्षेत्र से होकर गुजरता के रूप में बर्फ के प्रचार की एक कम दर दिखाता है। इन्फ्रारेड Thermography का उपयोग करना भी एक विशिष्ट ऊतकों में बर्फ के प्रसार को रोकने के किसी भी है कि शारीरिक बाधाओं की उपस्थिति निर्धारित करने के लिए अनुमति देता है। 7 चित्रा </> मजबूत संयंत्र जमे हुए लेकिन टर्मिनल फूल कलियों unfrozen रहना गया है की एक अल्पाइन वनस्पति हिस्सा (स्टेम और पत्तियों) जहां प्रजातियों, Loiseleuria procumbens में ठंड को दिखाता है। आइस गठन के तने की ठंड और पत्तियों हुआ था और जिसके परिणामस्वरूप एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रिया छितराया हुआ था के बाद जब तक 126-164 मिनट घटित नहीं था। अल्पाइन वुडी प्रजातियों की प्रजनन गोली मारता ^3,33 संवेदनशील ठंड रहे हैं, परिहार ठंड प्रजनन सफलता के लिए महत्वपूर्ण महत्वपूर्ण है।

ब्लॉक बाह्य आइस Nucleation प्रेरित ठंड के लिए हाइड्रोफोबिक बाधाओं की योग्यता

एक टमाटर के पौधे (सोलेनम lycopersicum) हाइड्रोफोबिक बाधा बाह्य बर्फ न्यूक्लिएशन प्रेरित ठंड ब्लॉक सकता है, तो यह निर्धारित करने के क्रम में एक हाइड्रोफोबिक kaolin आधारित सामग्री (चित्रा 8A) के साथ लेपित किया गया था। पत्ती की सतह के साथ तरल की बूंदों के संपर्क की डिग्री uncoated पत्तियों में बहुत बड़ा था ( (चित्रा 8C) की तुलना में एनजी> चित्रा 8B)। चित्रा 8D में सचित्र लेपित पौधों (बाएं) unfrozen बने रहे और लगभग -6.0 डिग्री सेल्सियस के लिए शीतल, जबकि uncoated पौधों (दाएं), एक ठंड घटना के विशिष्ट एक एक्ज़ोथिर्मिक घटना का प्रदर्शन किया। इन प्रयोगों का विवरण। Wisniewski एट अल में ³⁴ पाया जा सकता ऊंचाई ढाल के साथ देशी प्रजातियों के पौधे की पत्ती संरचना में अधिक से अधिक hydrophobicity की एक प्रवृत्ति Aryal और Neuner से उल्लेख किया गया है। ³⁵

चित्रा 1. उच्च संकल्प इन्फ्रारेड रेडियोमीटर। सचित्र मॉडल एक FLIR अनुसूचित जाति-660 इन्फ्रारेड वीडियो कैमरा है।

चित्र 2। एक्रिलिक बॉक्स कैमरा घर और ठंड और विगलन प्रयोगों के दौरान अवरक्त कैमरे पर बनाने से संक्षेपण को रोकने के लिए प्रयोग किया जाता है। अवरक्त कैमरा के लिए सुरक्षा बाड़े। (ए) बॉक्स एक्रिलिक बॉक्स में डाला शीर्ष हटा दिया। (बी) कैमरा के साथ और ढक्कन बंद कर दिया।

चित्रा 3. देखना और ResearchIR सॉफ्टवेयर से अवरक्त छवियों और दूरस्थ कैमरा नियंत्रण। स्क्रीन शॉट का विश्लेषण। सॉफ्टवेयर छवियों में तापमान डेटा, लाइव छवि को देखने कैमरा सेटिंग्स, रिकॉर्ड एकल छवियों को बदलने, वीडियो रिकॉर्डिंग बनाने के लिए, और विश्लेषण करने के लिए प्रयोग किया जाता है। निचले बाएँ पर डालने लाइव छवि के तापमान हिस्टोग्राम से पता चलता है, जबकि सही कैमरा सेटिंग बदलने के लिए विकल्प से पता चलता है पर डालें।

चित्रा 4. बाह्य न्यूक्लिएशन Hosta पत्ती के प्रेरित ठंड (Hosta एसपीपी।)। पानी की unfrozen बूंदों और आईएनए बैक्टीरिया, स्यूडोमोनास syringae (तनाव सीआईटी-7), पत्ती (ए) के abaxial सतह पर मौजूद हैं। आईएनए छोटी बूंद पहले जमा देता है (बी) और पत्ता (सी) की ठंड शुरू की। आइस पत्ता (डी) भर में और पत्ती की ठंड के बावजूद फैलता है, छोटी बूंद पानी unfrozen (ई) बनी हुई है। पूरे पत्ती रोक लगा दी है और इसके किनारों (एफ) में शांत करने के लिए शुरुआत है के बाद पत्ती की सतह पर पानी की बूंद जमा देता है।

एक वुडी पौधे के तने में चित्रा 5. बर्फ दीक्षा और प्रचार (Quercus robur) वाम पैनल:। ओक के एक वुडी स्टेम के पार अनुभाग। फ्लोएम और नाड़ी केंबियम (ए) और स्टेम (- एच बी) के चारों ओर बर्फ के गठन की प्रगति के क्षेत्र में घटना ठंड की (मुख्यालय) दीक्षा। Kuprian और Neuner, अप्रकाशित।

उच्च संकल्प इन्फ्रारेड Thermography उपयोग कर की गणना एक सेम संयंत्र (Phaseolus vulgaris) में बर्फ के प्रचार के 6 चित्रा दर। (ए) स्टेम (तीर) में शुरू की बर्फ। (बी - सी) आइस प्रचार ऊपर और स्टेम नीचे। आंकड़ा के शीर्ष पर ग्राफ़ यह ठंड के मूल साइट से स्टेम ऊपर चला गया के रूप में दूरी बर्फ के रूप में प्रस्तुत बर्फ प्रसार की दर समय के साथ कूच प्रदर्शित करता है। मैं में एक देरीबर्फ संयंत्र स्टेम के नोडल हिस्से के माध्यम से ले जाया गया है के रूप में सीई प्रसार हुआ। यह आंकड़ा Wisniewski एट अल से संशोधित किया गया था। ²⁴

चित्रा अल्पाइन वुडी संयंत्र में बर्फ के गठन के लिए 7. बैरियर, Loiseleuria procumbens (अल्पाइन Azalea)। (ए) के केंद्रीय स्टेम संलग्न पत्ते, और टर्मिनल कलियों दिखा अल्पाइन Azalea के तने के दृश्य प्रकाश छवि। (बी - सी) बर्फ़ीली स्टेम में शुरू की और बर्फ के पत्तों में बाहर से प्रसारित किया जाता है। टर्मिनल कलियों unfrozen रहते हैं। (डी - ई) टर्मिनल कलियों स्टेम और पत्तियों की प्रारंभिक ठंड के बाद स्वतंत्र रूप से 126-164 मिनट फ्रीज। इस समय के दौरान स्टेम और पत्तियों की ठंड द्वारा उत्पादित तापीय धारिता की गर्मी पहले से ही व्यस्त हो गया है। Kuprian और Neuner, यूnpublished।

8 चित्रा हाइड्रोफोबिक बाधाओं टमाटर (सोलेनम lycopersicon) की बाह्य न्यूक्लिएशन प्रेरित ठंड ब्लॉक। (ए) टमाटर के पौधों के लिए आवेदन किया हाइड्रोफोबिक kaolin आधारित सामग्री। (बी - सी)। पत्ती की सतह और लेपित (बी) पर आईएनए बैक्टीरिया युक्त तरल की बूंदों के बीच संपर्क के कम स्तर बनाम uncoated (सी) के पत्तों। (डी) Uncoated संयंत्र (दाएं) लेपित संयंत्र शीतल बनी हुई है, जबकि संयंत्र की ठंड के साथ जुड़े एक एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रिया से होकर गुजरती है, और unfrozen पर लगभग -6 डिग्री सेल्सियस। यह आंकड़ा Wisniewski एट अल से संशोधित किया गया है। ³⁴

Discussion

पानी अच्छी तरह से 0 डिग्री सेल्सियस नीचे तापमान और पानी की काफी चर हो सकता है फ्रीज होगा, जिस पर तापमान को सर्द करने की क्षमता है। शुद्ध पानी की Supercooling के लिए ³⁶ तापमान सीमा के बारे में -40 डिग्री सेल्सियस है और सजातीय न्यूक्लिएशन बिंदु के रूप में परिभाषित किया गया है। गर्म तापमान पर पानी जमा देता है की तुलना में -40 डिग्री सेल्सियस यह तो बर्फ के गठन और विकास के लिए एक उत्प्रेरक के रूप में काम जो फार्म के लिए छोटे बर्फ भ्रूण कि सक्षम nucleators heterogenous की उपस्थिति के बारे में लाया जाता है। ³⁷ प्रकृति में अणुओं की एक भीड़ हैं कि प्रकृति में पानी की इस प्रकार सबसे अधिक ठंड, के रूप में बहुत कुशल बर्फ nucleating एजेंट काम अभी 0 डिग्री सेल्सियस नीचे तापमान पर होता है। heterogenous nucleating एजेंटों की गतिविधि को विनियमित या प्रभावित करने की क्षमता पौधों को ठंढ संरक्षण प्रदान करने के लिए एक उपन्यास दृष्टिकोण के रूप में महत्वपूर्ण क्षमता है। कैसे बर्फ रूपों को समझना और संवेदनशील और ठंड सहिष्णु पौधों ठंड में प्रसारित एसी के लिए आवश्यक हैइस उद्देश्य को hieving।

परिचय में संकेत के रूप में, विभिन्न तरीकों प्रयोगशाला परिस्थितियों में पौधों में जमने की प्रक्रिया का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है, हालांकि, प्रकृति में पौधों की ठंड मुख्य रूप से thermocouples के उपयोग के साथ नजर रखी जा चुकी है। उच्च संकल्प इन्फ्रारेड Thermography (HRIT) ^24-28,34, पौधों में जमने की प्रक्रिया का अध्ययन करने के लिए एक विधि के रूप में कई विशिष्ट लाभ प्रदान करता है। HRIT एक, एक पूरे संयंत्र को फ्रीज करने की जरूरत ठंड की घटनाओं की संख्या, वास्तव में बर्फ एक संयंत्र में प्रचारित किया और बर्फ के प्रचार के लिए किसी भी बाधाओं मौजूद हैं, और अगर एक के किसी भी अंश तो यह निर्धारित किया जाता है का पालन कैसे बर्फ गठन के प्रारंभिक साइट का निरीक्षण करने की अनुमति देता है संयंत्र बर्फ मुक्त रहते हैं। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि यह एक नहीं बल्कि माता पिता के संयंत्र से हटा दिया गया है कि एक संयंत्र के छोटे, पृथक भागों से पूरी पौधों में जमने की प्रक्रिया का निरीक्षण करने की अनुमति देता है।

वर्तमान रिपोर्ट freez का अध्ययन करने के लिए HRIT के आवेदन की रूपरेखाबरकरार पौधों या संयंत्र भागों में आईएनजी, और इस तकनीक पौधों में कैसे और कब बर्फ रूपों को प्रभावित कर सकते हैं कि कई मापदंडों की जांच करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है की कई उदाहरण प्रदान करता है, और बर्फ कैसे प्रचारित किया जाता है। इन अध्ययनों के संचालन के महत्वपूर्ण पहलुओं अवरक्त कैमरे की संवेदनशीलता और सटीकता को शामिल, कैमरा और वीडियो दृश्यों की रिकॉर्डिंग की स्थापना में इस्तेमाल किया मानकों, ठंडा दर, इस विषय की संरचनात्मक / रूपात्मक जटिलता में देखा जा रहा है, और ज्ञान के बारे में अवरक्त विज्ञान। इन मदों को व्यक्तिगत रूप से संबोधित किया जाएगा।

संवेदनशीलता और अवरक्त कैमरे की सटीकता (रेडियोमीटर)

कल्पना की जा रही है कि संयंत्र के ऊतकों की ठंड के दौरान एक्ज़ोथिर्मिक घटनाओं 0.1 <से लगभग 0.5 डिग्री सेल्सियस को लेकर बहुत छोटे हैं। इसलिए अवरक्त कैमरा आसानी से तापमान में छोटे परिवर्तन के अंतर करने के लिए काफी संवेदनशील होना चाहिए। तापमान शुद्धता भी एक महत्वपूर्ण पहलू है औरकैमरा एक नियमित आधार (कम से कम साल में एक बार) पर calibrated है कि आवश्यकता है। इस उपयोगकर्ता के द्वारा किया जा सकता है, यह तापमान की एक विस्तृत रेंज को कवर कई काले निकायों के उपयोग की आवश्यकता है। इसलिए, यह कारखाने में calibrated कैमरे के लिए सबसे अच्छा है। तापमान सटीकता की एक उच्च स्तर बिल्कुल जरूरी है, यह अत्यधिक एक thermocouple अवरक्त कैमरा के साथ conjuction में इस्तेमाल किया जा सिफारिश की है। वस्तु हवा के तापमान का सही अनुमान देने के लिए अध्ययन किया जा रहा निकट यह मुहिम शुरू की जा सकती है।

कैमरा मानकों

मापदंडों के एक मेजबान उन्नत, उच्च अंत अवरक्त कैमरों पर समायोजित किया जा सकता है। देखने के लिए और / या घटनाओं ठंड रिकॉर्ड करने के लिए कैमरे का उपयोग करने में, यह छवि है कि औसतन इस प्रकार यह आसान संयंत्र भागों और ठंड की घटनाओं कल्पना करने के लिए कर रही है, एक शोर छवि को कम करने के क्रम में इस्तेमाल किया जा महत्वपूर्ण है। एक उच्च गुणवत्ता छवि कैमरा सेटिंग्स में चयनित होने पर छवि औसत होता है। नाबालिग ठंड exotherm के बादएक छोटे से तापमान रेंज को कवर करने के लिए कैमरे का तापमान अवधि निर्धारित करने के लिए जमने की प्रक्रिया को देखते समय यह भी महत्वपूर्ण है, उम्मीद कर रहे हैं (2-5 डिग्री सेल्सियस)। सॉफ्टवेयर कैमरे के लिए सेट पूरी अवधि पर चयनित रंग pallette वितरित करेंगे क्योंकि यह आवश्यक है। वहाँ pallette में 10 रंग रहे हैं और एक 100 डिग्री सेल्सियस के लिए सेट अवधि है अगर तापमान में 10 डिग्री सेल्सियस परिवर्तन किया गया था, तो इसलिए, केवल रंग में बदलाव के उनके होगा। , जल्दी से फैलने जो छोटे एक्ज़ोथिर्मिक घटनाओं, याद नहीं कर रहे हैं तो एक उच्च कब्जा दर प्रति सेकंड (दस फ्रेम) का इस्तेमाल किया जाना चाहिए। अलग अलग रंग पट्टियाँ और ग्रे तराजू एक ड्रॉप डाउन मेनू से चुना जा सकता है। सबसे उपयुक्त पैलेट के चुनाव में यह ब्याज की थर्मल घटनाओं दृश्यमान करने के लिए सबसे अच्छा विकल्प प्रदान करता है या नहीं, के आधार पर किया जाना चाहिए। उन्नत कैमरे भी एक वीडियो दृश्य रिकॉर्डिंग और / या एकल छवियों पर कब्जा करने के लिए कई विकल्प प्रदान करते हैं। एक निर्धारित समय अवधि से अधिक तख्ते की एक विशिष्ट संख्या का चयन किया जा सकता है।इस कम अवधि (मिनट) के बजाय घंटे की रिकॉर्डिंग के दृश्यों के लिए सबसे अच्छा है। वैकल्पिक रूप से, फ्रेम प्रति सेकंड की संख्या संकेत दिया जा सकता है और कैमरा स्वयं या फ्रेम की एक विशिष्ट संख्या के बाद रिकॉर्डिंग बंद करने के लिए निर्धारित किया है। उन्नत कैमरे भी पूर्व निर्धारित चलाता है (तापमान या समय) के आधार पर शुरू करने के लिए रिकॉर्डिंग या अंत के लिए विकल्प प्रदान करते हैं।

ठंडा करने की दर

यह देखा जा रहा है संयंत्र सामग्री के तापमान को ठंडा करने के दौरान हवा के तापमान से नाटकीय रूप से अलग नहीं है कि महत्वपूर्ण है। तापमान बहुत जल्दी कम कर दिया जाता है, तो पौधों अधिक सर्द जाएगा और वे प्राकृतिक ठंडा दरों के तहत होगा की तुलना में कम हवा के तापमान पर फ्रीज। अधिकांश अध्ययन विशेष रूप से ऊपर -5 पौधों हवा के तापमान के साथ संतुलन के लिए आने के लिए पर्याप्त समय प्रदान करता है जो डिग्री सेल्सियस, तापमान में 1-2 डिग्री सेल्सियस घंटा ^-1 की एक ठंडा दर सलाह देते हैं। वास्तविकता में, संयंत्र सामग्री बहुत तेजी से संतुलन में आ सकता है। इससंयंत्र के आसपास पृष्ठभूमि के तापमान के साथ संयंत्र सामग्री के तापमान की तुलना द्वारा निर्धारित किया जा सकता है। संयंत्र संतुलन में है, तो यह है कि यह पृष्ठभूमि के रूप में एक ही तापमान में हो जाएगा और छवि रंग में लगभग सजातीय होने के लिए दिखाई देगा के रूप में अवरक्त छवि में अपनी पृष्ठभूमि से संयंत्र विचार करने के लिए मुश्किल हो जाएगा।

वस्तु का स्ट्रक्चरल रूपात्मक जटिलता देखा जा रहा है

देखा जा रहा है छवियों के तापमान की छवियों का प्रतिनिधित्व करते हैं के बाद से, ओवरलैप वस्तुओं है कि सन्निहित वस्तुओं के बजाय असतत वस्तुओं के रूप में दिखाई देगा। इस ठंड की घटनाओं बहुत मुश्किल होती हैं, जहां समझदार बनाने के लिए और भी बर्फ संयंत्र में प्रचारित किया जा रहा है कि कैसे निर्धारित करने में कठिनाई बढ़ा सकते हैं। इस समस्या से निपटने के लिए सबसे अच्छा तरीका है तो साधारण वस्तुओं (व्यक्तिगत पत्तियों, तनों, आदि) के लिए और अधिक जटिल वस्तुओं का निर्माण के साथ पहली बार काम करने के लिए है। विशिष्ट मा के साथ काम करने में अनुभवterial इस समस्या से निपटने के लिए महान मूल्य है। इसके अतिरिक्त, एक डिजिटल, दृश्य प्रकाश छवि के शीर्ष पर अवरक्त छवि ओवरले करने की क्षमता भी बहुत विश्लेषण और अवरक्त डेटा को समझने में सहायता कर सकते हैं।

अवरक्त विज्ञान का ज्ञान

यह बस एक वस्तु पर कैमरे बात करने के लिए सक्षम होने के लिए फायदेमंद हो सकता है और प्राप्त डेटा तापमान ऊर्जा बहुत सबसे अच्छा अनुसंधान ग्रेड का उपयोग कैसे करें के लोगों को समझ में वृद्धि कर सकते हैं अपने पर्यावरण के साथ सूचना का आदान प्रदान कैसे अवरक्त को समझने, 100% सही पता होगा कि यद्यपि अवरक्त कैमरों डेटा की व्याख्या और। एक दृष्टि से उत्सर्जन, reflectance, और absorbance के साथ कुछ हद तक परिचित हो जाना चाहिए। अधिकांश भाग के लिए, कैमरा इन मानकों के बारे में चिंता किए बिना इस्तेमाल किया जा सकता है, हालांकि, वे प्रदर्शित की जा रही छवि की प्रकृति और उसके समग्र गुणवत्ता और शुद्धता की व्याख्या करने में मदद कर सकते हैं। अवरक्त ऊर्जा एक वस्तु जब हिट संक्षेप में, यह या तो आर किया जा सकता हैeflected या अवशोषित और फिर उत्सर्जित। वस्तु का स्वभाव इसलिए, डेटा की सटीकता प्राप्त किया जा रहा प्रभावित कर सकते हैं, का अध्ययन किया जा रहा है। एक वस्तु एक उच्च reflectance है, तो एक ही वस्तु की तुलना में अवरक्त ऊर्जा उत्सर्जन कर रहे हैं कि आसपास की वस्तुओं की एक छवि अधिक प्रतिनिधि प्राप्त होगा। भी वस्तु से झूठे तापमान डेटा प्राप्त करने के लिए नेतृत्व कर सकते हैं अवरक्त ऊर्जा उत्सर्जन के बिना अवरक्त ऊर्जा के absorbance का अध्ययन किया जा रहा है। कैमरा सेंसर इसलिए, सबसे सटीक तापमान उत्सर्जन की एक उच्च स्तरीय है कि वस्तुओं से प्राप्त कर रहे हैं अवरक्त ऊर्जा उत्सर्जित का पता लगाने। सौभाग्य से, पौधों सही तापमान माप की अनुमति उत्सर्जन की एक उच्च स्तरीय है। उत्सर्जन के निचले स्तर फिर तापमान readout में एक उपयुक्त समायोजन करने के लिए एक एल्गोरिथ्म का उपयोग करेगा जो कैमरा सेटिंग में इस पैरामीटर का समायोजन करके के लिए मुआवजा दिया जा सकता है।

सही ढंग से कैसे और कब पौधों फ्रीज निर्धारित करने की क्षमताफ्रीज परिहार तंत्र के विकास और जमने की प्रक्रिया में संयंत्र संरचना की भूमिका को समझने के लिए आवश्यक है। बर्फ़ीली, इसकी स्पष्ट सादगी के बावजूद, एक जटिल प्रक्रिया है और पौधों, ठंड से बचने के बर्फ गठन compartmentalize, और बर्फ के प्रसार को रोकने के लिए संरचनात्मक रूपांतरों के एक मेजबान के लिए विकसित किया है। उच्च संकल्प इन्फ्रारेड Thermography पौधों में जमने की प्रक्रिया की जटिलता का अध्ययन करने और ठंढ संरक्षण के प्रभावी नए तरीकों के विकास के लिए नेतृत्व करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है कि एक उपन्यास और शक्तिशाली उपकरण है। फ्रीज परिहार का एक बेहतर समझ भी हमें इन अनुकूली तंत्र विकसित किया है समझने के लिए कैसे मदद कर सकता है, और भूमिका वे विभिन्न प्रजातियों के पौधे के जीव विज्ञान और अस्तित्व में खेलते हैं।

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