Introduction
Bitkilerin aktif büyüyor meydana dondurucu soğuklar bitki çok az veya hiç donma toleransının sahip, özellikle öldürücü olabilir. Böyle don olayları sık sık tarımsal üretim üzerinde yıkıcı etkileri ve özellikle alpin, alt-arktik ve arktik ekosistemler 1-6, bitkilerin doğal popülasyonlarında toplum yapısının şekillenmesinde önemli bir rol oynayabilir. Şiddetli ilkbahar donlarından Episodes son yıllarda 7-9 ABD ve Güney Amerika'da meyve üretiminde önemli etkileri vardı ve daha tipik ortalama düşük sıcaklıklarda ardından sıcak hava erken başlangıçlı şiddetlenir edilmiştir. Erken sıcak hava no frost hoşgörü 1,3,10-12 çok az var hepsi yeni sürgünler, yapraklar, çiçekler ve büyümesini aktive kırmak için tomurcukları neden olur. Böyle düzensiz hava desenleri devam eden iklim değişikliği doğrudan yansıması olduğu bildirilmiştir ve ormanının için ortak bir hava desen olması bekleniyoreeable gelecek 13. Artan don toleransı sağlayabilir, ekonomik, etkili ve çevre dostu yönetim teknikleri ya da agrokimyasallar sağlamak için çabalar nedenlerle bir dizi için sınırlı bir başarı oldu ama bu kısmen tolerans donma ve bitkilerde kaçınma mekanizmaları donma karmaşık doğası isnat edilebilir. 14
Bitkilerde don sağkalım ile ilişkili adaptif mekanizmalar geleneksel hoşgörü dondurma ve kaçınma dondurma, iki kategoriye ayrılır oylandı. Birinci kategori bitkilerin varlığı ve dokuları buz dehidratif etkisiyle ilişkili stresini tolere izin spesifik bir gen grubu ile düzenlenir biyokimyasal mekanizmaları ile ilişkilidir. İkinci kategori, tipik olarak, ama sadece değil, bir bitkinin 14 yapısal olmadığını belirlemek, bir bitkinin yönleri ve buz formları ile ilişkili iken. Bir reklam dondurarak kaçınma yaygınlığı rağmenaptive mekanizma, az araştırma altında yatan mekanizmaları ve donma kaçınma düzenleme anlamak için son zamanlarda tahsis edilmiştir. okuyucu bu konuda daha ayrıntılı bilgi için, bir son gözden 15 olarak adlandırılır.
Düşük sıcaklıklarda buz oluşumu basit bir süreç gibi görünse de, birçok faktör bitkinin içinde yayılır bitki dokularında hangi buz çekirdekleşirken ve nasıl sıcaklığın belirlenmesinde katkıda bulunur. Böyle çekirdek oluşturucularının Dışsal ve içsel buz varlığı, heterojen vs homojen çekirdeklenme olayları, termal-histerezis (antifriz) proteinler, belirli şekerler ve diğer osmolitler varlığı ve bitkinin yapısal yönlerini bir dizi gibi parametreler geleni önemli oynamak Bitkilerde dondurma işleminde rolü. Topluca, bu parametreler buz başlatmış ve büyür nasıl nerede bir bitki, donuyor hangi sıcaklığı etkiler. Ayrıca, elde edilen, buz kristallerinin morfolojisi etkileyebilir.Çeşitli yöntemler LTSEM'ye (nükleer manyetik rezonans spektroskopi (NMR), 16, manyetik rezonans görüntüleme (MRI), 17, kriyo-mikroskopi 18-19, ve düşük sıcaklık tarama elektron mikroskopisi de dahil olmak üzere laboratuar koşulları altında bitkilerde dondurma işlemi incelemek için kullanılmıştır ). laboratuvar ve saha ortamlarında tüm bitkilerin 20 Donma, ancak esas termokupl ile takip edilmektedir. dondurma incelemek için termokupl kullanımı su, katı bir sıvı bir faz geçişi uğrar ısı kurtuluş (füzyon entalpisi) dayanmaktadır. Donma sonra ekzotermik olay olarak kaydedilir. 21-23 termokuplar bitkilerde donma okuyan tercih tipik yöntemi olmasına rağmen, bunların kullanımı bir donma olayı sırasında elde edilen bilgilerin miktarını sınırlamak birçok sınırlamalar vardır. Örneğin, termokupl ile o yayar nasıl buz, bitkilerde başlatılan yeri belirlemek için neredeyse imkansız zordur,bir hatta hızında yayılır eğer ve bazı dokular buz serbest kalırsa.
Yüksek çözünürlüklü kızılötesi termografi (HRIT) 24-27 Gelişmeler Bununla birlikte, önemli ölçüde bir diferansiyel görüntüleme modunda kullanıldığında, özellikle bütün bitkilerde donma süreci hakkında bilgi edinmek için yeteneğini artırmıştır. 28-33, mevcut raporda, donma sürecinin çeşitli yönlerini nerede ve ne sıcaklık buz at bitkilerde başlatılan etkileyen çeşitli parametreleri incelemek için bu teknolojinin kullanımını tarif eder. Bir protokol yüksek, sıfırın altındaki bir sıcaklıkta otsu bitkiye dondurma başlatan bir dış çekirdek oluşturucu olarak hareket etmek buz çekirdeklenme aktif (INA) bakterinin yeteneğinin, Pseudomonas syringae (Cit-7) göstermektedir ki sunulacaktır.
Yüksek çözünürlüklü kızılötesi kamera
Bu raporda belgelenen protokol ve örnekler kızılötesi yüksek çözünürlük kullananVideo radyometre. radyometre (Şekil 1), kızılötesi ve görünür spektrum görüntü ve sıcaklık verileri bir kombinasyonunu temin eder. Kameranın spektral tepkisi 7,5-13,5 um aralığındadır ve 640 x 480 piksel çözünürlükte içerir. Tarafından oluşturulan görünür spektrum görüntüleri dahili kamera kompleksi, termal görüntülerin yorumlanmasını kolaylaştıran gerçek zamanlı, IR görüntüleri ile kaynaşmış olabilir. Kamera için lensler bir dizi close-up ve mikroskobik incelemelerde bulunmak için kullanılabilir. Kamera bir stand-alone modunda kullanılan, ya da arabirim ve propietary yazılımını kullanarak bir dizüstü bilgisayar ile kontrol edilebilir. yazılımı kaydedildi videoları yerleşmiş olan termal çeşitli verileri elde etmek için kullanılabilir. Bu kızılötesi ışıma ölçerlerin geniş bir yelpazede piyasada mevcut olduğunu not etmek önemlidir. Bu nedenle, araştırmacı bilgili bir ürün mühendisi ile amaçlanan uygulama tartışmak ve araştırmacı herhangi specifi yeteneğini test esastırc radyometre gerekli bilgileri sağlamak. açıklanan protokol kullanılan görüntüleme radyometre akrilik kutusunda Strafor i n ısınma ve soğutma protokolleri esnasında yoğunlaşma maruziyeti caydırmak amacıyla yalıtılmış (Şekil 2) yerleştirilir. Bu koruma, tüm kameralar ya da uygulamalar için gerekli değildir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Bitki Materyallerinin Hazırlanması 1.
- Konu bitki materyali ya yaprakları veya tüm bitkiler (Hosta spp. Veya Phaseolus vulgaris) kullanın.
Buz Çekirdeklenme Aktif (INA) Bakteri İçeren Su Çözümleri 2. Hazırlık
- Kültür INA bakteri Pseudomonas syringae 25 ° C Pseudomonas Agar F'ta petri kaplarına (soy Cit-7), üreticinin yönde 100% gliserol, 10 g / L ile hazırlandı.
- Kültürler, 4 ° C 'de yeteri kadar yer büyüdü sonra gerekli ama buz nükleasyon aktivitesi yüksek düzeyde sağlamak için önce iki gün boyunca 4 ° C'de tutun kadar.
- Tek kullanımlık bir plastik, ağarın yüzeyinden, tek bir levhadan bakteri Pençe ya da yeniden kullanılabilir metal bir spatula kullanımı ve yer zamanda iyonu giderilmiş su, 10-15 ml 25 ml'lik atılabilir bir küvet içinde. konsantrasyonu, · 1 x 10 7 x 1 ila 10, 9 aralığında olmalıdır -1. Çözelti bulanık görünecektir. Konsantrasyon sadece yaklaşık gerekirse bir hemasitometre veya spektrofotometre kullanılarak konsantrasyon onaylamak için gerek yoktur.
- Bakteri dağıtmak için 10 saniyelik bir en az küvet vorteksleyin.
Not: Elde edilen INA karışımın belirli bir konsantrasyonu önemli değildir ve açıklanan protokol buz nükleasyon aktivitesi yeterli düzeyden daha fazla verecektir. INA bakteri ve su Bu karışım çekirdeklenme deneylerde daha sonra kullanılacaktır.
3. Donma Deneme Oluşturma
- Koruyucu akrilik kutusunun içindeki yüksek çözünürlüklü kızılötesi kamera (SC-660) yerleştirin, böylece kutunun önündeki açıklıktan mercek projeleri ve kutunun arka delikten bir dizüstü bilgisayar veya kayıt cihazı çıkmak için kamera bağlantı telleri . Kutunun kapağını sabitleyin ve bir yerde çevre odasında veya derin dondurucuda içine kutusu yerleştirmek tüm olacakow konu bitki materyali görülebilir.
- Yansıyan kızılötesi enerjiden girişimi önlemek için siyah inşaat kağıt ile odasının duvarlarını kaplayan bitki materyali etrafında karanlık bir arka plan sağlamak.
- Görünür dalga boylarında kayıt görüntüleri gerektiğinde ışık kaynağından ısıtma aza indirmek için LED aydınlatma ile odasını takınız. Bitkiler kamerası tarafından görünür olmasını böyle bir pille çalışan dolap ışığı veya diğer küçük led aydınlatma cihazı olarak sadece minimum, gereklidir.
- Konu bitki materyali görünür görüntüleri alınır sonra, LED aydınlatma kapatın. Bir liman ya da odasında diğer delikten kameraya tüm harici kablolu bağlantıları (bilgisayar firewire bağlantısı, güç kablosu, vb) dağıtın.
- Önlemek veya bölme içinde sıcaklık değişimleri azaltmak için köpük yalıtım malzemesi ile liman ya da açılış herhangi fazladan boşluk doldurun. 1 ° C'de odasının ilk sıcaklığını ayarlamak.
- Bitki materyali kameranın görüş alanı görünümünde ve bitki materyali uzaktan izleme ekranında veya seçilen yazılımın içinde görünür şekilde bitkiler ya da bitki parçaları hizalayın.
- Bitkiler önceden kontrollü bir dondurma deney başlamadan, bitki malzemesinin boyutuna bağlı olarak, 1 saat 30 dakika boyunca 1 ° C'de dengelenmeye bırakın. Bu donma deneyi başlatılır sonra bitkinin sıcaklığı birçok derece hava sıcaklığı gerisinde değil garanti eder. Bitkisel malzemenin sıcaklığı, hava sıcaklığı 0.5 ° C'lik bir fark dahilinde olduğunda Dengeleme elde edilir.
- Saksı bitkileri kullanılması durumunda saksı bitkileri toprak üstünde Strafor yalıtım katmanı yerleştirin. Bitkiler dengeye ulaştıktan sonra, bölmenin soğutma başlar.
Not: pot toprak yüzeyinde yalıtım tabakası tesisi çevreleyen havaya pot devam ısı kaybı miktarını azaltır ve fre kökleri engellerezing, bu tipik olarak sebebiyle toprakta kalan ısı mevcut kitlesel deposuna doğada bir don olayı sırasında meydana olmaz.
- Saksı bitkileri kullanılması durumunda saksı bitkileri toprak üstünde Strafor yalıtım katmanı yerleştirin. Bitkiler dengeye ulaştıktan sonra, bölmenin soğutma başlar.
- 3.4.1-3.4.4 tartışıldığı gibi, istenen kamera parametrelerini (renk paleti, sıcaklık aralığı, belirli ilgi alanları, vb) ayarlayın.
- Canlı görüntüyü izlerken sıcaklık değişimlerini görüntülemek için gökkuşağı paleti seçin.
- Sadece yazılımı görüntüsünün altında bulunan sıcaklık çubuğunu ayarlayarak 5 ° C sıcaklık aralığını ayarlayın.
- Seçilen paleti (gökkuşağı) tarafından tanımlanan sahte renk görüntü içine kızılötesi verileri dönüştürmek için doğrusal ölçek (algoritma) seçin ve 5 ° C'ye sıcaklık aralığını ayarlamak ve resmin göre otomatik olarak izlemek için. Deney yapılırken Alternatif olarak, manuel ayar aralığını ayarlayın.
- Softw tarafından sağlanan ilgi tanımlanan alan içinde belirli bir noktaya sıcaklığını ya da ortalama sıcaklık kullanınbulunmaktadır. . Kaydedilen video dizisinden veya görüntü dosyasında gömülü bilgilerden tüm piksellerin sıcaklık verileri almak 3 ResearchIR yazılım içinden tipik bir ekran göstermektedir.
- Ilgi belirli bir noktayı temsil bitki dokusu üzerinde bir yere bir imleci yerleştirin. Noktalarında (boyutu 1 -3 piksel), kutular, çizgiler, elips ya da çevrelerin gibi ilgi alanını tanımlayın. Noktalarla şekiller çoklu kombinasyonları görüntünün üzerinde yer alabilir.
- Bir video dizisi kaydetme
- 60 Hz ve kayıt elle durdurulması için kaydetmek için kamerayı ayarlayın.
- Kaydedilen video dosyası alınacaktır bilgisayara veya harici sürücüde yerini belirtin.
- Kayıt başlar.
Not: büyük video dosyalarını oluşturulur çünkü harici sabit sürücüye kayıt şiddetle tavsiye edilir. Kaydedilen video dosyaları sonra KD içeren yalnızca bir bölümünü içerecek şekilde düzenlenebilircessary bilgiler. Bu büyük ölçüde dosya boyutunu azaltacaktır. - 0.5 -1.0 ° C aşamalı odasının ısısını düşürün. Bitki sıcaklığı hava sıcaklığı ile equilibrates kadar bekleyin ve ardından 0.5-1.0 ° C tekrar sıcaklığını düşürmek. Bitki gözlemlenen dokusu ve morfolojisinin kütlesine bağlı olarak, dengeleme 10 dakika 15 alabilir. Bu nedenle, yaklaşık 4 ° C / saatlik bir soğutma hızını vermek.
- Bitki donuyor ve gözlemler tamamlanıncaya kadar bu şekilde devam edin. Dondurma işlemi tamamlandığında Kaydı bitirmek.
Not: aynı sıcaklıkta olduğundan, bitki materyali ve arka plan rengi olduğunda, aynı bitki dokusu hava sıcaklığı ile dengelenmiş. Arka plan sıcaklığı ve bitki doku sıcaklığı aynı olduğundan, bu yeniden daha düşük sıcaklığa ve bitki doku ve a arasındaki sıcaklık farkı olana kadar, bitki malzemesinin görselleştirmek zor olabilirir sıcaklık.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Ice + bakteri buz çekirdeklendirici aktivitesi Pseudomonas syringae (suş Cit-7)
10 ul su damlası ve P. ihtiva eden su içinde 10 ul syringae (Cit-7), bir Hosta yaprağın alt yüzeyi üzerine yerleştirilmiştir (Hosta spp.) (Şekil 4). Gösterildiği gibi, INA bakteriler içeren su damlası, ilk dondu ve yaprak yüzeyi üzerindeki suyun damla donmamış kalırken dondurmak için yaprak indüklemek için sorumludur.
Bir Woody Fabrikasında Donma ve Buz Yayılım
Şekil 5 meşe (Quercus Robur) bir kök buz başlatılması ve buz ilerlemesini hem de göstermektedir. Buz oluşumu kök vasküler kambiyum floem bölgede başlatılan ve kök etrafında dairesel yayılır edildi. odunsu bitki ice yayılma oranı kaynaklanan bir yanal ve çemberi göre uzunlamasına yönünde daha fazladırrential yön. 31
Buz Yayılma Oranları ve Buz Yayılması önündeki engeller
Buz INA bakteriler (Şekil 6A, ok) koymuş yerinde bir fasulye bitkisinin (P. vulgaris) kök başlatılmıştır. İlk donma olayı takiben, buz kadar yayılır ve kök aşağı (Şekil 6B-C). Bir zaman damgası sahip bir video sekansı kullanılarak ve gövde üzerindeki mesafe ölçümü, belirli bir mesafe boyunca buz yayılma hızını hesaplamak için bir olanak sağlar. Şekil 6'da grafik ilk donma noktasından fasulye bitkisinin kök kadar buz yayılma hızını sunar ve buz bitki düğüm bölgesi geçerken buz yayılma azalma oranı göstermektedir. Kızılötesi termografi kullanarak da belirli dokulara buz yayılmasını engellemek için herhangi bir fiziksel engellerin varlığını belirlemek için olanak sağlar. Şekil 7 </ Strong> bitki dondurulmuş ancak terminal çiçek tomurcukları donmamış kalır vardır bir dağ vejetatif parça (gövde ve yaprakları) türler, Loiseleuria procumbens, dondurma göstermektedir. Buz oluşumu kök donma ve yaprakları meydana geldiği ve ortaya çıkan egzotermik yanıt dağıldı sonrasına kadar 126-164 dk görülmedi. Alp odunsu türlerin üreme sürgünler 3,33 duyarlı dondurma gibi, kaçınma dondurma üreme başarısı için son derece önemlidir.
Blok Ekstrinsik Buz Çekirdeklenme Bağlı Donmaya karşı Hidrofobik Engeller yeteneği
Bir domates bitkisi (Solanum lycopersicum) hidrofobik bariyer dışsal buz çekirdeklenme kaynaklı dondurma engelleyebilir tespit etmek için bir hidrofobik kaolin-temelli bir malzeme (Şekil 8A) ile kaplandı. yaprak yüzeyinde sıvı damlacıklarının temas derecesi kaplanmamış yapraklarda daha büyük olmuştur (
Şekil 1. Yüksek çözünürlüklü kızılötesi Radyometre. Gösterilen model FLIR SC-660 Kızılötesi Video kamera olduğunu.
Şekil 2,. Akrilik kutu kamera ev ve donma çözülme deneyleri sırasında kızılötesi kamera üzerinde şekillendirme yoğunlaşmayı önlemek için kullanılır. kızılötesi kamera için koruyucu muhafaza. (A) Kutu akrilik kutusunda takılı üst kaldırıldı. (B) Kamera ile ve kapağı kapattı.
Şekil 3. görüntülenmesi ve ResearchIR yazılımından Kızılötesi Görüntüler ve Uzaktan Kamera Kontrolü. Ekran atış incelenmesi. Yazılım görüntüleri sıcaklık verilerini canlı görüntüyü kamera ayarlarını, kayıt bekar görüntüleri değiştirmek, video kayıtları yapmak ve analiz etmek için kullanılır. Sol alt uç canlı görüntü sıcaklık histogramını gösterir iken sağ kamera ayarlarını değiştirmek için seçenekleri gösterilmektedir üzerine yerleştirin.
Şekil 4. Dışsal çekirdeklenme Hosta yaprak kaynaklı dondurma (Hosta spp.). Su Donmami damlacıkları ve INA bakteri, Pseudomonas syringae (suş Cit-7), yaprak (A) 'nın alt yüzeyi üzerinde yer almaktadır. INA damlacık ilk donar (B) ve yaprak (C) donmasını başlatır. Buz yaprağı (D) boyunca ve yaprak donma rağmen yayılır, su damlacığı donmamış (E) kalır. Tüm yaprak dondurulmuş ve kenarlarından (F) soğumaya başlamadan sonra yaprağın yüzeyi üzerinde su damlacık dondurur.
Odunsu bitki kök Şekil 5. Buz başlatma ve yayılma (Quercus robur) Sol Panel:. Meşe odunsu kök kesiti. Floem ve vasküler kambiyum (A) ve sap (- lH B) çevresinde buz formasyonunun ilerleme bölgesinde olayı dondurma (AH) başlatılması. Kuprian ve Neuner, yayınlanmamış.
Yüksek çözünürlüklü kızılötesi termografi kullanılarak hesaplanan bir fasulye bitkisi (Phaseolus vulgaris) buz yayılımı Şekil 6. Oranı. (A) sap (ok) başlatılmıştır buz. (B - C) Buz yayılım yukarı ve gövdenin alt. Şeklin üst kısmında Grafik o donma orijinal siteden kök yukarı taşındı mesafe buz olarak sunulan buz yayılma hızı zamanla gitti gösterir. I bir gecikmeBuz bitki kök düğüm kısmı boyunca taşındı ce yayılım oluştu. Bu rakam Wisniewski ve ark modifiye edildi. 24
Şekil Alp odunsu bitki buz oluşumuna 7. Bariyer, Loiseleuria procumbens (Alp açelya). (A) merkez kök ekli yaprakları ve terminal tomurcukları gösteren Alp açelya sapının Görünür ışık görüntüsü. (B - C) Donma kök başlatılan ve buz yaprakları içine yayılmaktadır. Terminal tomurcuklar donmamış kalır. (D - E) Terminal tomurcukları gövde ve yaprakların ilk donma sonra bağımsız 126-164 dakika dondurma. Bu süre sırasında, gövde ve yaprak donma ile üretilen entalpi ısı önceden dağılmış olan. Kuprian ve Neuner unpublished.
Şekil 8. hidrofobik bariyerler domates (Solanum Lycopersicon) ekstrensek çekirdeklenme kaynaklı dondurma engeller. (A) domates bitkilerine uygulanan Hidrofobik kaolin-esaslı malzeme. (B - C). Yaprak yüzeyi ve kaplamalı (B) üzerine INA bakteri içeren sıvı damlalar arasındaki temas Azaltılmış seviyesi vs Kaplanmamış (C) bırakır. (D) Kaplanmamış bitkinin (sağ), kaplanmış bitki aşırı soğutulmuş kalır bitki dondurulması ile ilgili bir ekzotermik tepki uğrar ve donmamış yaklaşık -6 ° C. Bu rakam, Wisniewski ve arkadaşları modifiye edilmiştir. 34
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Kuyu, 0 ° C'nin altındaki sıcaklıklarda ve su oldukça değişken olabilir donacağı sıcaklığa süper-soğutmaya tabi yeteneğine sahiptir. Saf su süper-36 sıcaklık limiti yaklaşık -40 ° C'dir ve homojen çekirdekleşme noktası olarak tanımlanmaktadır. Sıcak sıcaklıklarda su donmakta daha -40 ° C ila daha sonra buz oluşumu ve büyümesi için bir katalizör olarak hizmet eden oluşturulması için küçük buz embriyolar etkinleştirmek çekirdek oluşturucularının heterojen varlığı ile ortaya zaman. 37 doğada molekül çok sayıda vardır ki Doğada su böylece en dondurma, çok etkili buz nükleasyon ajanları hareket, sadece 0 ° C'nin altındaki bir sıcaklıkta meydana gelir. Heterojen çekirdeklenme ajanları aktivitesini düzenleyen veya etkileme yeteneği bitkilere donma koruma sağlamak için yeni bir yaklaşım olarak önemli bir potansiyele sahiptir. Nasıl buz formlarını anlama ve hassas ve donma toleranslı bitkiler donma yayar ac esastırBu amaca hieving.
Giriş bölümünde de belirtildiği gibi, çeşitli yöntemler laboratuar koşullarında bitkilerde dondurma işlemi incelemek için kullanılmıştır, bununla birlikte, doğadaki bitkilerin donma esas termokupl kullanımı ile takip edilmiştir. Yüksek çözünürlüklü kızıl ötesi termografi (HRIT) 24-28,34, bitkilerde dondurma işlemi incelemek için bir yöntem olarak çok farklı avantajları vardır. HRIT on, bütün bir bitki dondurmak için gerekli dondurma olayların sayısı, gerçek buzlu bir bitkide yayılır ve buz yayılımı için herhangi bir engel mevcuttur ve eğer herhangi bir bölümünde olmadığını belirlemek nasıl gözlemlemek buz oluşumu başlangıç sitesi gözlemlemek sağlar Bitki buz serbest kalır. En önemlisi, bu bir yerine ebeveyn bitkiden kaldırılmış bir bitkinin küçük, izole bölümlerden daha bütün bitkilerde donma süreci gözlemlemek için izin verir.
Bu rapor, don çalışmaya HRIT uygulanmasını özetliyorsağlam bitkiler ya da bitki parçalarında ing, ve bu teknoloji bitkilerdeki kadar ve buz formları etkileyebilen çeşitli parametreler incelemek için nasıl kullanılabileceğini çeşitli örnekler içerir, ve buz kadar yayılır. Bu çalışmaları yürütürken kritik yönleri kızılötesi kamera hassasiyetini ve doğruluğunu dahil, kamera ve video dizilerinin kayıt kurulumunda kullanılan parametreler, soğuma hızı, konunun yapısal / morfolojik karmaşıklık izlenen ve bilgi hakkında Kızılötesi bilim. Bu öğeler ayrı ayrı ele alınacaktır.
Duyarlılık ve kızılötesi kamera doğruluğu (radiometer)
görüntülenmiştir olan bitki dokularının dondurma sırasında ekzotermik olayı 0.1 <yaklaşık 0.5 ° C ye kadar değişen, çok küçüktür. Bu nedenle, kızılötesi kamera kolayca sıcaklık küçük değişiklikler ayırt etmek yeterli duyarlı olmalıdır. Sıcaklık hassasiyeti de önemli bir yönüdür veKamera düzenli olarak (en azından yılda bir kez) üzerinde kalibre gerektirir. Bu, kullanıcı tarafından yapılabilir iken, geniş bir sıcaklık aralığı kapsayan çeşitli siyah cisimlerin kullanılmasını gerektirir. Bu nedenle, fabrikada kalibre kamera için en iyisidir. Sıcaklık bir doğruluk yüksek kesinlikle gerekli ise, yüksek bir termokupl kızılötesi kamera ile paralel olarak kullanılması tavsiye edilir. Nesne hava sıcaklığının doğru tahmin vermek çalışılan yakın bu monte edilebilir.
Kamera parametreleri
Parametrelerin bir ev sahibi, gelişmiş, high-end kızılötesi kameralar üzerinde ayarlanabilir. Görüntüleyebilir ve / veya donma olaylarına kaydetmek için fotoğraf makinesini kullanırken, bu görüntü ortalama böylece daha kolay bitki parçaları ve donma olayları görselleştirmek için yapım, gürültülü bir görüntü azaltmak için kullanılmalıdır önemlidir. Yüksek kaliteli görüntü kamera ayarlarında seçildiğinde Görüntü ortalama oluşur. Küçük donma ısı çıkışından itibarens küçük bir sıcaklık aralığı kapsayacak şekilde kameranın ısıları aralığını ayarlamak için dondurma işlemi görüntülerken aynı zamanda önemlidir bekleniyor (2-5 ° C). Yazılım kamera için belirlenen tam açıklıklı üzerinde seçilen renk paletiyle dağıtacak çünkü bu gereklidir. Orada palet 10 renk olan ve bir 100 ° C olarak ayarlanır süresi vardır, eğer bir sıcaklık 10 ° C bir değişiklik varsa, bu nedenle, sadece bir renk değişikliği kendi olacaktır. Hızlı dağıtmak küçük ekzotermik olaylar, cevapsız değildir böylece yüksek yakalama oranı (saniyede on kare) kullanılmalıdır. Farklı renk paletleri ve gri ölçekler bir açılır menü seçilebilir. En uygun paletinin seçimi bu ilgi termal olayları görselleştirmek için en iyi seçeneği sağlar olsun veya olmasın dayanmalıdır. Gelişmiş kameralar da video dizisi, kayıt ve / veya tek görüntüleri yakalamak için çeşitli seçenekler sunuyoruz. Bir dizi zaman süresi boyunca kare Belirli bir sayıda seçilebilir.Bu kısa süre (dakika) ziyade saat kayıt dizileri için en iyisidir. Alternatif olarak, saniyede kare sayısı belirtilebilir ve kamera manuel veya kare belirli bir sayıdan sonra kaydı durdurmak için ayarlanır. Gelişmiş kameralar da önceden tanımlanmış tetikler (sıcaklık veya zaman) dayalı başlamak için kayıtları veya sonuna seçeneği sunuyoruz.
Soğutma hızı
Bu izlenen bitki materyali sıcaklığı soğutma sırasında hava sıcaklığından önemli ölçüde farklı değildir önemlidir. Sıcaklık çok hızlı indirdi edilirse, bitkiler süper-soğutmaya ve doğal soğutma oranlarının altında olduğundan daha düşük bir hava sıcaklığında dondurma. Çalışmaların çoğu, özellikle yukarıda -5 bitkiler hava sıcaklığı ile dengeye gelmesi için yeterli zamanı sağlar ° C, sıcaklıklarda 1-2 ° C saat -1 bir soğutma hızını öneririz. Aslında, bitki malzemesi daha hızlı denge gelebilir. Bubitki çevresinde arka plan sıcaklığı ile bitki malzemesinin sıcaklığının karşılaştırılmasıyla tespit edilebilir. Bitki dengede ise, arka planda aynı sıcaklıkta olacaktır ve görüntü rengi neredeyse homojen olarak görünür kızılötesi görüntüde kendi arka plan bitki ayırt etmek zor olacaktır.
Nesnenin Yapısal morfolojik karmaşıklığı görüntülenmesiyle
Görüntülenmesiyle görüntüleri sıcaklık görüntüleri temsil ettiğinden, üst üste nesneler bitişik nesnelerin yerine ayrık nesne olarak görünür. Bu donma olayları çok zor oluşan nerede sezmek yapmak ve aynı zamanda buz bitki yayılır ediliyor nasıl belirlemede zorluk artırabilir. Bu sorunla başa çıkmak için en iyi yolu daha sonra basit nesneler (bireysel yaprakları, gövde, vb) ve daha karmaşık nesneler kurmak ile ilk işe etmektir. Belirli ma ile çalışma deneyimiarteryal bu sorun ile ilgili olarak büyük bir değeri vardır. Ayrıca, dijital, görünür ışık görüntünün üstüne kızılötesi görüntü bindirme yeteneği de büyük ölçüde analiz ve kızılötesi veri anlamada yardımcı olabilir.
Kızılötesi bilimin Bilgi
Sadece bir nesneye kamerayı işaret edebilmek için avantajlı olabilir ve alınan sıcaklık verileri, enerji büyük ölçüde iyi araştırma-dereceli nasıl kullanılacağı olanlar anlayışı artırabilir çevresi ile nasıl etkileşimde kızılötesi anlamak,% 100 doğru olduğunu bilemez rağmen kızılötesi kameralar verileri yorumlamak ve. Bir terimleri emisyon, yansıma ve absorbans biraz aşina olmak gerekir. Çoğunlukla, kamera bu parametreler endişesi olmadan da kullanılabilir, ancak bunlar görüntülenen resmin doğasını ve kalitesini ve doğruluğunu açıklamaya yardımcı olabilir. Kızılötesi enerji bir nesneye çarptığında Kısaca, ya r olabilireflected veya emilen ve daha sonra yayılan. Nesnenin doğası bu nedenle verilerin doğruluğu alınan etkileyebilir çalışılmaktadır. Bir nesne yansıtma özelliği yüksek ise, bir nesnenin kendisinden daha kızılötesi enerji yayan çevreleyen nesneler bir görüntü daha temsilcisini alacaksınız. Ayrıca nesneden yanlış sıcaklık verilerini elde yol açabilir kızılötesi enerji yayan olmadan kızılötesi enerji absorbans çalışılmaktadır. Kamera sensörleri nedenle, en doğru sıcaklıklar emissivite yüksek düzeyde sahip nesneler elde edilen kızılötesi enerji, yayılan algılayabilir. Neyse ki, bitkiler hassas sıcaklık ölçümleri sağlayan yayma yüksek düzeyde var. Emissivite alt seviyeleri daha sonra sıcaklık okuma uygun bir ayarlama yapmak için bir algoritma kullanır kamera ayarlarında bu parametreyi ayarlayarak telafi edilebilir.
doğru nasıl ve ne zaman bitkilerin donmasına belirlemek yeteneğiDondurularak kaçınma mekanizması evrimini ve dondurma işleminde bitki yapısının rolünü anlamak için gereklidir. Donma, görünürdeki basitlik rağmen, karmaşık bir süreçtir ve bitkiler, donmasını önlemek buz oluşumunu bölümlere ve buz yayılmasını önlemek için yapısal uyarlamalar bir dizi gelişmiştir. Yüksek çözünürlüklü kızıl ötesi termografi bitkilerde donma sürecinin karmaşıklığı çalışma ve donma koruması için yeni ve etkili yöntemlerin geliştirilmesine yol için kullanılabilecek yeni ve güçlü bir araçtır. Dondurarak kaçınma daha iyi anlaşılması da bize bu adaptif mekanizmalar nasıl geliştiğini anlamak için yardımcı olabilir ve rol farklı bitki türlerinin biyolojisi ve hayatta oynamak.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar hiçbir rakip mali çıkarlarını ya da çıkar çatışmalarının var.
Acknowledgments
P23681-B16: Bu araştırma, Avusturya Bilim Fonu'nun (FWF) tarafından finanse edildi.
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).
