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Environment

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

Published: May 08, 2015
doi:
10.3791/52703
, ,
1U.S Department of Agriculture,Agricultural Research Service (USDA-ARS), Kearneysville, WV, 2Institute of Botany,University of Innsbruck, 3Department of Plant Science,University of Saskatechewan

Summary

Here we present a protocol that allows one to visualize sites of ice formation and avenues of ice propagation in plants utilizing high resolution infrared thermography (HRIT).

Abstract

Freezing events that occur when plants are actively growing can be a lethal event, particularly if the plant has no freezing tolerance. Such frost events often have devastating effects on agricultural production and can also play an important role in shaping community structure in natural populations of plants, especially in alpine, sub-arctic, and arctic ecosystems. Therefore, a better understanding of the freezing process in plants can play an important role in the development of methods of frost protection and understanding mechanisms of freeze avoidance. Here, we describe a protocol to visualize the freezing process in plants using high-resolution infrared thermography (HRIT). The use of this technology allows one to determine the primary sites of ice formation in plants, how ice propagates, and the presence of ice barriers. Furthermore, it allows one to examine the role of extrinsic and intrinsic nucleators in determining the temperature at which plants freeze and evaluate the ability of various compounds to either affect the freezing process or increase freezing tolerance. The use of HRIT allows one to visualize the many adaptations that have evolved in plants, which directly or indirectly impact the freezing process and ultimately enables plants to survive frost events.

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 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…

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)। सच?…

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 ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

P23681-B16: इस शोध ऑस्ट्रियाई विज्ञान कोष (FWF) द्वारा वित्त पोषित किया गया था।

Materials

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
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References

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High-resolution Infrared ThermographyHRITIce NucleationIce PropagationPlant FreezingFrost EventsFreeze AvoidanceExtrinsic NucleatorsIntrinsic NucleatorsFreezing ToleranceFrost Protection

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Wisniewski, M., Neuner, G., Gusta, L. V. The Use of High-resolution Infrared Thermography (HRIT) for the Study of Ice Nucleation and Ice Propagation in Plants. J. Vis. Exp. (99), e52703, doi:10.3791/52703 (2015).
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