Bruk av høy oppløsning Infrarød termografi (HRIT) for studier av iskimdannende og Ice Formering hos planter

Introduction

Minusgrader som oppstår når plantene er aktivt voksende kan være dødelig, særlig hvis anlegget har liten eller ingen frysing toleranse. Slike frost hendelser har ofte ødeleggende effekt på jordbruksproduksjon, og kan også spille en viktig rolle i å forme samfunnet struktur i naturlige bestander av planter, spesielt i alpint, sub-arktiske og arktiske økosystemer ^1-6. Episoder med alvorlige våren frost har hatt store konsekvenser for fruktproduksjon i USA og Sør-Amerika de siste årene ^7-9, og har blitt forsterket av tidlig debut av varmt vær etterfulgt av mer typiske gjennomsnitts lave temperaturer. Den tidlige varme været induserer knopper å bryte, aktiverer veksten av nye skudd, blader og blomster som alle har svært liten eller ingen frosttoleranse ^1,3,10-12. Slike uberegnelige værmønstre er rapportert å være en direkte refleksjon av pågående klimaendringer, og forventes å være en felles været mønster for de foreseeable fremtiden ^13. Innsats for å gi økonomiske, effektive og miljøvennlige teknikker eller plantevernmidler som kan gi økt frosttoleranse har hatt begrenset suksess for en rekke grunner, men dette kan delvis tilskrives den komplekse natur av frysing toleranse og frysing mekanismer unngåelse i planter. ¹⁴

Den adaptive mekanismer knyttet til frost overlevelse i planter har tradisjonelt vært delt inn i to kategorier, frysing toleranse og frysing unngåelse. Den førstnevnte kategori er assosiert med biokjemiske mekanismer som er regulert av et bestemt sett av gener som tillater plantene å tåle de påkjenninger assosiert med tilstedeværelse og dehydrativ effekten av is i sin vev. Mens den sistnevnte kategori er vanligvis, men ikke utelukkende, i forbindelse med strukturelle aspekter ved et anlegg som bestemmer om, når og hvor isen dannes i en plante ^14. Til tross for utbredelsen av fryse unngåelse som en annonseaptive mekanisme, har lite forskning blitt viet i nyere tid for å forstå de underliggende mekanismene og regulering av fryse unngåelse. Leseren er henvist til en fersk gjennomgang ¹⁵ for større detaljer om dette emnet.

Mens dannelsen av is ved lave temperaturer kan virke som en enkel prosess, mange faktorer som bidrar til å bestemme den temperatur ved hvilken is nucleates i plantemateriale, og hvor det sprer seg i anlegget. Parametere som for eksempel nærværet av ytre og indre is kimdannende midler, heterogene lignet med homogene kjernehendelser, termisk-hysterese (frostvæske) proteiner, tilstedeværelse av spesifikke sukkere og andre osmolytes, og en rekke av strukturelle deler av anlegget kan alt spille en betydelig rolle i fryseprosessen i planter. Sammen er disse parametre påvirker den temperatur ved hvilken et anlegg fryser, hvor isen er igangsatt, og hvor den vokser. De kan også påvirke morfologien av de dannede iskrystaller.Forskjellige metoder er blitt brukt til å studere fryseprosessen i planter under laboratoriebetingelser, herunder kjernemagnetisk resonansspektroskopi (NMR) ^16, magnetisk resonansavbildning (MRI) ^17, Cryo-mikroskopi ^18-19, og lav temperatur scanning elektronmikroskopi (LTSEM ). ²⁰ Frysing av hele planter i laboratorie- og feltinnstillinger, men har i hovedsak vært overvåket med termo. Bruken av termoelementer for å studere frysing er basert på frigjøring av varme (smelteentalpi) når vannet gjennomgår en faseovergang fra en væske til et fast stoff. Frysing er da oppført som en eksoterm hendelse. ^21-23 Selv om termo er den typiske metoden for valg i å studere iskaldt i planter, har deres bruk mange begrensninger som begrenser mengden av informasjon som er innhentet under en fryse hendelse. For eksempel, med termoelementer er det vanskelig å nesten umulig å bestemme hvor isen blir initiert i planter, hvor den forplanter seg,hvis det forplanter seg på en jevn hastighet, og hvis noen vev forblir fri for is.

Fremskritt i høy oppløsning infrarød termografi (HRIT) ^24-27, men har betydelig økt evne til å innhente informasjon om fryseprosessen i hele planter, spesielt når de brukes i en differensiell avbildningsmodus. ^28-33 I den foreliggende rapporten, vi beskriver bruken av denne teknologien for å studere forskjellige aspekter av fryseprosessen og forskjellige parametere som påvirker hvor og og ved hvilken temperatur is initiert i planter. En protokoll vil bli presentert som vil demonstrere evnen til is-kjernedannelse-aktiv (INA) bakterien Pseudomonas syringae (Cit-7) til å virke som en ytre kimdannende initiere frysing i en urteaktig plante ved en høy, frysepunktet temperatur.

Høyoppløselig infrarødt kamera

Protokollen og eksempler er dokumentert i denne rapporten benytter en høy oppløsning infrarødvideo radiometer. Den radiometer (figur 1) leverer en kombinasjon av infrarøde og synlige spektrum bilder og temperaturdata. Den spektrale respons av kameraet er i området fra 7,5 til 13,5 mikrometer, og gir 640 x 480 piksler. Synlige spektrum bildene som genereres av den innebygde kameraet kan være kondensert med IR-bilder i sann tid, noe som letter tolkningen av komplekse, termiske bilder. En rekke linser for kameraet kan brukes til å gjøre nærbilde og mikroskopiske observasjoner. Kameraet kan brukes i en frittstående modus, eller tilkobles og styres med en bærbar datamaskin ved hjelp propietary programvare. Programvaren kan brukes til å oppnå en rekke termiske data innebygd i videoopptakene. Det er viktig å merke seg at en rekke av infrarøde radiometers er kommersielt tilgjengelige. Derfor er det viktig at forskeren diskutere deres tiltenkte formålet med en kunnskapsrik produktingeniør og at forskeren teste evnen til enhver spesific radiometer for å gi den informasjonen som trengs. Den bilderadiometer som brukes i den beskrevne protokoll er plassert i en akryl (Figur 2) isolert med Styrofoam a t for å hindre eksponering for kondensering under oppvarming og avkjøling protokoller. Denne beskyttelsen er ikke nødvendig for alle kameraer eller programmer.

Protocol

1. Utarbeidelse av plantemateriale

1. Bruk enten blader eller hele planter av faget plantemateriale (Hosta spp. Eller Phaseolus vulgaris).

2. Utarbeidelse av Water Solutions Inneholder iskimdannende Aktive (INA) Bakterier

1. Kultur INA bakterien Pseudomonas syringae (Strain Cit-7) i petriskåler ved 25 ° C på Pseudomonas Agar F forberedt med 10 g / L av 100% glyserol per produsentens retning.
2. Etter kulturer har vokst tilstrekkelig, sted ved 4 ° C inntil nødvendig, men holde ved 4 ° C i to dager før for å sikre et høyt nivå av iskimdannelsesaktivitet.
3. Skrap bakterier fra en enkelt plate fra overflaten av agaren med en plast, engangs eller på nytt brukbare metallspatel på tidspunktet for anvendelse, og i stedet 10 til 15 ml avionisert vann i et 25 ml engangs kyvette. Konsentrasjonen bør være i området fra 1 x ^7-1 oktober x 10 ^{9 ·} -1. Løsningen vil vises skyet. Det er ikke nødvendig å bekrefte konsentrasjonen ved hjelp av et hemocytometer eller spektrofotometer, som konsentrasjon behøver bare å være omtrentlige.
4. Vortex kuvetten i minst 10 sekunder for å fordele bakteriene.
   Merk: Den spesifikke konsentrasjon av den resulterende blanding INA er ikke viktig, og den protokoll som er beskrevet vil gi mer enn et tilstrekkelig nivå av iskimdannende aktivitet. Denne blandingen av INA-bakterier og vann vil bli brukt senere i kjernedannelses eksperimenter.

3. Sette opp en Frysing Experiment

1. Plasser høyoppløselig infrarødt kamera (SC-660) på innsiden av beskyttende akryl boks slik at linsen prosjekter gjennom åpningen i fronten av boksen og ledningene som kobler kameraet til en bærbar PC eller opptaksenhet exit gjennom den bakre åpningen av boksen . Fest lokket på esken og plasser boksen inne miljøkammeret eller fryseren på et sted som vil alleow faget plantematerialet for å bli sett.
   1. Tilveiebringe en mørk bakgrunn rundt plantematerialet ved foring av veggene i kammeret med svart papir konstruksjon for å hindre interferens fra reflekterte infrarød energi.
   2. Monter kammer med LED-belysning for å minimere varme fra lyskilden når du tar opp bilder i synlige bølgelengder er nødvendig. Bare et minimum av lys, for eksempel en batteridrevet skapet lys eller andre små LED-enheten, er nødvendig for plantene å være synlig ved kameraet.
      1. Når synlige bilder av faget plantemateriale er tatt, slå av LED-belysning. Distribuere alle eksterne kablede tilkoblinger (FireWire-tilkobling til datamaskinen, strømkabel, etc.) til kameraet via en port eller annen åpning i kammeret.
   3. Fylle noen ekstra plass i havnen eller åpning med isolerende skummateriale for å unngå eller redusere temperaturgradienter i kammeret. Sette utgangstemperaturen av kammeret ved 1 ° C.
2. Juster planter eller plantedeler, slik at plantematerialet er i felt-av-riss av kameraet og plantematerialet er synlig på fjernvisningsskjermen eller innenfor den valgte programvare.
3. Tillat planter å ekvilibrere ved -1 ° C i 30 min til 1 time, avhengig av størrelsen av plantematerialet, før start av en kontrollert fryse eksperiment. Dette sikrer at temperaturen av anlegget ikke vil henge bak lufttemperaturen med mange grader når fryse forsøket starter. Ekvilibrering oppnås når temperaturen i plantemateriale er innenfor 0,5 ° C over lufttemperaturen.
   1. Legg et lag med isopor isolasjon på toppen av jord av potteplanter hvis potteplanter er brukt. Når plantene er ekvilibrert, begynne avkjøling av kammeret.
      Merk: laget av isolasjon på jordoverflaten av potten reduserer mengden av fortsatt varmetapet fra potten til luften som omgir planten, og hindrer røttene fra freezing, da dette vil vanligvis ikke oppstå under en frost arrangementet i natur på grunn av den massive reservoar av restvarme til stede i jorden.
4. Still inn ønskede parametre kamera (fargepalett, temperaturområde, bestemte områder av interesse, etc.), som omtalt i 3.4.1-3.4.4.
   1. Velg regnbuens palett å vise temperaturvariasjonene mens du ser det levende bildet.
   2. Sett temperaturspenn til 5 ° C ved å justere temperaturen bar ligger like under bildet i programvaren.
   3. Velg den lineære skalaen (algoritme) for å konvertere de infrarøde data inn i falske farger som er definert av den valgte paletten (rainbow) og sette utvalget av temperaturen til 5 ° C og for å spore automatisk basert på bildet. Alternativt justere sett utvalg manuelt mens gjennomføre forsøket.
      1. Bruk temperaturen på et bestemt punkt eller en gjennomsnittlig temperatur innenfor det definerte området av interesse levert av programvare;er. Hente temperaturdata for alle piksler fra innspilt video sekvens eller fra informasjon innebygd i bildefilen. Figur 3 viser et typisk skjermbilde innenfra ResearchIR programvare.
   4. Plassere en markør på en plassering på plantevevet som representerer et bestemt punkt av interesse. Definer område av interesse som punkter (1 -3 piksler i størrelse), bokser, linjer, ellipser eller sirkler. Flere kombinasjoner av punkter eller former kan være plassert over bildet.
5. Spille inn en videosekvens
   1. Sett kameraet til å ta opp ved 60 Hz og for at opptaket skal stoppes manuelt.
   2. Angi plasseringen på datamaskinen eller ekstern harddisk hvor den innspilte videofilen skal plasseres.
   3. Starte innspillingen.
      Merk: Opptak til en ekstern harddisk er sterkt anbefalt siden store videofiler vil bli generert. Innspilte videofiler kan senere redigeres for å inneholde kun den delen som inneholder necessary informasjon. Dette vil sterkt redusere filstørrelsen.
   4. Senk temperaturen i kammeret trinnvis med 0,5 -1,0 ° C. Vent til anlegget temperatur likevekt med lufttemperatur og senk temperaturen igjen ved 0,5-1,0 ° C. Avhengig av massen av plantevevet blir observert og dets morfologi, kan likevekt ta 10 til 15 min. Dermed gir en avkjølingshastighet på ca. 4 ° C / time.
   5. Fortsett på denne måten til anlegget fryser og observasjoner er fullført. Avslutt opptaket når fryseprosessen er fullført.
      Merk: plantevev har likevekt med lufttemperatur når plantemateriale og bakgrunn har samme farge, siden de er ved samme temperatur. Etter bakgrunnstemperaturen og temperaturen av plantevevet er de samme, kan det være vanskelig å visualisere plantematerialet før man igjen senke temperaturen, og det er temperaturforskjellen mellom plantevevet og enir temperatur.

Representative Results

Is-kjernedannende aktivitet av is + bakterien Pseudomonas syringae (stamme Cit-7)

En 10 pl dråpe vann og 10 mL vann inneholdende P. syringae (Cit-7) ble plassert på overflaten av en abaxial Hosta blad (Hosta spp.) (figur 4). Som illustrert dråpe vann inneholder INA bakterier frøs først og var ansvarlig for å indusere blad å fryse mens dråpe vann på bladet overflaten forble ufrosset.

Frysing og Ice Formering i en Woody Plant

Figur 5 illustrerer både is initiering og is forplantning i en stamme av eik (Quercus robur). Isdannelse ble initiert kambium phloem region av stammen og forplantes langs omkretsen rundt stammen. Frekvensen av is forplantning i treaktig plantestammene er mye større i lengderetningen enn i side og circumferential retning. ³¹

Priser fra Ice Formering og barrierer for Ice Formering

Ice ble igangsatt i stammen av en bønne anlegg (P. vulgaris) på stedet der INA bakterier hadde blitt plassert (figur 6A, pil). Etter den første frysehendelse, is formeres opp og ned på stammen (figur 6B-C). Ved hjelp av videosekvens, som har et stempel, og måleavstand på stammen, gjør det mulig å beregne graden av is forplantning over en gitt avstand. Grafen i figur 6 viser graden av is forplantning opp stammen av bønne anlegget fra ende den opprinnelige frysing og illustrerer en redusert hastighet av is forplantning som is passerer gjennom knute region av anlegget. Ved hjelp av infrarød termografi også tillater en å bestemme tilstedeværelsen av noen fysiske barrierer som hindrer forplantning av is i spesifikke vev. Figur 7 </ Strong> illustrerer iskaldt i en alpine arter, Loiseleuria procumbens, der den vegetative delen (stilk og blader) av anlegget har frosset, men terminalblomsterknopper forblir frosset. Isdannelse skjedde ikke før 126-164 minutter etter frysing av stammen og bladene hadde funnet sted, og den resulterende eksoterme reaksjon hadde forsvunnet. Som reproduktive skudd av alpine treaktige arter er iskaldt sensitive ^3,33, frysing unngåelse er avgjørende viktig å reproduktiv suksess.

Evne til Hydrofobe Barrierer til Block Extrinsic iskimdannende Induced Frysing

En tomatplante (Solanum lycopersicum) ble belagt med et hydrofobt kaolin basert materiale (figur 8A) for å bestemme om det hydrofobe barriere kan blokkere extrinsic iskimdannende indusert frysing. Graden av kontakt med små dråper av væske med bladet overflaten var mye større i ubelagte blader ( (figur 8C). Som illustrert i figur 8D, ubelagte planter (høyre) viste en eksoterm hendelse som er typisk for en frysehendelse, mens belagte planter (venstre) forble gassform og underkjølt til omtrent -6,0 ° C. Detaljer fra disse forsøk kan finnes i Wisniewski et al. ³⁴ En utvikling av større hydrofobisitet i bladet strukturen av lokale plantearter langs en ​​gradient altitudinal har blitt notert av Aryal og Neuner. ³⁵

Figur 1. Høy oppløsning Infrarød Radiometer. Modellen illustreres er en FLIR SC-660 infrarødt videokamera.

Figur 2. beskyttende kabinett for infrarødt kamera. En akryl boksen brukes til å huse kameraet og hindre at det dannes kondens på infrarødt kamera under frysing og tining eksperimenter. (A) Box med topp fjernet. (B) kamera satt inn i akryl boks og lokket lukket.

Figur 3. Vise og analysere infrarøde bilder og Remote Skjermbilde Camera Control. Fra ResearchIR programvare. Programvaren brukes til å se det levende bildet, endre kamerainnstillinger, ta opp enkeltbilder, gjør videoopptak, og analysere temperaturdata i bildene. Sett på høyre viser alternativer for å endre kamerainnstillinger mens innsatsen på nedre venstre viser en temperatur histogram av det levende bildet.

Figur 4. Extrinsic kjernedannelse indusert frysing av Hosta blad (Hosta spp.). Ufrosset dråper av vann og Ina bakterier, Pseudomonas syringae (stamme Cit-7), er tilstede på abaxial overflaten av bladet (A). INA dråpe fryser første (B) og initierer frysing av bladet (C). Is sprer seg over hele bladet (D) og til tross for frysing av bladet, forblir vanndråpen ufrosset (E). Dråpe vann på overflaten av blad fryser etter at hele bladet har frosset og begynner å avkjøles ved sine kanter (f).

Figur 5. Is initiering og forplantning i stammen i en treaktig plante (Quercus robur) Venstre Panel:. Tverrsnitt av en treaktig stilk av eik. (AH) Initiering av frysehendelse i den regionen av barken og kambium (A) og progresjon av isdannelse rundt stammen (B - H). Kuprian og Neuner, upublisert.

Figur 6. Valuta is forplantning i en bønne anlegg (Phaseolus vulgaris) beregnes ved hjelp av høyoppløselig infrarød termografi. (A) Ice startet i stammen (pil). (B - C) is forplantning opp og ned på stammen. Grafen på toppen av figuren viser frekvensen av isen forplantning presentert som avstanden isen reiste over tid som det flyttet opp stammen fra det opprinnelige området for frost. En forsinkelse i jegce forplantning skjedde som is beveges gjennom knutedelen av anlegget stammen. Dette tallet ble endret fra Wisniewski et al. ²⁴

Figur 7. Barrier til isdannelse i alpine woody plante, Loiseleuria procumbens (alpint azalea). (A) Synlig lys bilde av stammen av alpine azalea viser midtstammen, festet blader, og terminal knopper. (B - C) Fryse startes i stammen og is forplanter seg ut i blader. Terminal knopper forbli gassform. (D - E) Terminal knopper fryse uavhengig 126-164 minutter etter første frysing av stilk og blader. I løpet av denne tiden heten av entalpi fremstilt ved frysing av stammen og bladene har allerede forsvunnet. Kuprian og Neuner, unpublished.

Figur 8. Hydrofobe barrierer blokkere ytre kjernedannelse indusert frysing av tomater (Lycopersicon Solanum). (A) Hydrofob kaolin basert materiale påføres på tomatplanter. (B - C). Redusert nivå av kontakt mellom bladet overflaten og væskedråper som inneholder INA bakterier på bestrøket (B) vs. ubelagt (C) blader. (D) Ubelagt anlegg (høyre) undergår en eksoterm reaksjon i forbindelse med frysing av planten, mens belagte planterester underkjølt, og unnlater å fryse ved omtrent -6 ° C. Dette tallet har blitt forandret fra Wisniewski et al. ³⁴

Discussion

Vann har evnen til å Super til temperaturer godt under 0 ° C og den temperatur ved hvilken vann vil fryse kan være ganske variabel. ³⁶ Temperaturgrensene for underkjøling av rent vann er ca. -40 ° C og er definert som den homogene kjernepunktet. Når vann fryser ved temperaturer varmere enn -40 ° C den er forårsaket av tilstedeværelsen av heterogene kimdannende som gjør at små is embryo for å danne som deretter tjene som en katalysator for isdannelse og vekst. ³⁷ Det er et mangfold av molekyler i naturen som virke som meget effektive is kjernedannende midler, og dermed mest frysing av vann i naturen forekommer ved temperaturer like under 0 ° C. Evnen til å regulere eller påvirke aktiviteten av heterogene kjernedannende midler har betydelig potensiale som en ny tilnærming for å tilveiebringe frostbeskyttelse for planter. Forstå hvordan dannes is og forplanter seg i iskaldt sensitive og frysetolerante planter er avgjørende for achieving dette målet.

Som indikert i innledningen, har forskjellige metoder vært anvendt for å studere fryseprosessen i planter under laboratoriebetingelser, men frysing av planter i naturen har hovedsakelig vært overvåket ved bruk av termoelementer. Høyoppløselig infrarød termografi (HRIT) ^24-28,34, tilbyr flere klare fordeler som en metode for å studere fryseprosessen i planter. HRIT gjør det mulig å observere den initielle stedet for isdannelse, antallet fryse arrangementer for å fryse en hel plante, faktisk observere hvordan is forplantes i et anlegg, og hvis eventuelle hindringer for forplantning is er til stede, og fastslå om noen deler av en anlegget forblir isfri. Det viktigste er at det er en for å observere fryseprosessen i hele planter i stedet for små, isolerte deler av en plante som er blitt fjernet fra den overordnede anlegget.

Denne rapporten skisserer anvendelsen av HRIT til studiet av Freezing i intakte planter eller plantedeler, og gir flere eksempler på hvordan denne teknologien kan brukes til å undersøke flere parametere som kan påvirke hvordan og når is dannes i planter, og hvordan isen er spredd. Kritiske aspekter ved å drive disse studiene involverer følsomheten og nøyaktigheten av infrarødt kamera, parameterne som brukes i oppsett av kameraet og innspilling av videosekvenser, kjølehastigheten, den strukturelle / morfologisk kompleksitet av faget å bli sett, og kunnskap om infrarød vitenskap. Disse elementene vil bli behandlet individuelt.

Sensitivitet og nøyaktighet for den infrarøde kamera (radiometer)

Den eksoterme hendelser under frysing av plantemateriale som blir visualisert er svært små, som strekker seg fra <0,1 til 0,5 ° C. Derfor er det infrarøde kamera må være følsom nok til å kunne skille små endringer i temperaturen. Temperatur nøyaktighet er også et viktig aspekt ogkrever at kameraet er kalibrert jevnlig (minst en gang i året). Selv om dette kan gjøres av brukeren, det krever bruk av flere sorte legemer som dekker et bredt område av temperaturer. Derfor er det best å ha kameraet fabrikk-kalibrert. Dersom en høy grad av temperaturnøyaktighet er absolutt nødvendig, er det sterkt anbefalt at et termoelement benyttes i samarbeid med the infrarøde kamera. Dette kan bli montert i nærheten av gjenstanden blir undersøkt for å gi et nøyaktig estimat av lufttemperatur.

Kameraets parametere

En rekke parametere kan justeres på avanserte, high-end infrarøde kameraer. I å bruke kameraet til å vise og / eller spille frysing hendelser, er det viktig at image averaging brukes for å redusere støyende bilde, og dermed gjøre det enklere å visualisere plantedeler og frysing hendelser. Image averaging oppstår når en høy bildekvalitet er valgt i kamerainnstillingene. Siden mindre frysing eksoterms er forventet, er det også viktig når en ser på fryseprosessen for å sette temperture utstrekningen av kameraet for å dekke en liten temperaturområde (2-5 ° C). Dette er nødvendig fordi programvaren vil fordele den valgte farge palett over hele spennet er angitt for kameraet. Derfor, hvis det er 10 farger i palett, og man har spennet innstilt på 100 ° C, deres ville bare være en endring i farge hvis det var en 10 ° C temperaturendring. En høy fangstrate (ti bilder per sekund) bør brukes slik at små varmeutviklende hendelser, som forsvinne raskt, ikke er savnet. Ulike fargepaletter og gråtoner kan velges fra en rullegardinmeny. Utvalg av de mest aktuelle paletten bør være basert på hvorvidt det gir det beste alternativet for å visualisere de termiske hendelser av interesse. Avanserte kameraer har også flere alternativer for å spille inn en videosekvens og / eller ta enkeltbilder. Et bestemt antall rammer over en bestemt tid varighet kan velges.Dette er best for opptak av sekvenser av kort varighet (minutter) i stedet for timer. Alternativt kan antall bilder per sekund indikeres og kameraet satt til å stoppe opptak manuelt eller etter et bestemt antall rammer. Avanserte kameraer har også mulighet for opptak for å starte eller avslutte basert på forhåndsdefinerte triggere (temperatur eller tid).

Kjølehastigheten

Det er viktig at temperaturen av plantemateriale som vises ikke skiller seg dramatisk fra lufttemperaturen under avkjøling. Hvis temperaturen senkes for raskt, vil plantene Super og fryses til en lavere lufttemperatur enn de ville ha under naturlige avkjølingshastigheter. De fleste studier tyder på en avkjølingshastighet på 1-2 ° C hr ^-1, spesielt ved temperaturer over -5 ° C, noe som gir rikelig tid for planter til å komme til likevekt med lufttemperaturen. I virkeligheten, kan plantematerialet kommer i likevekt mye raskere. Dettekan bestemmes ved å sammenligne temperaturen av plantematerialet med temperaturen av bakgrunnen rundt planten. Hvis anlegget er i likevekt, vil det være vanskelig å skjelne anlegget fra sin bakgrunn i det infrarøde bildet slik det vil være ved den samme temperatur som bakgrunnen, og bildet blir vist å være nesten homogen i farge.

Strukturelle morfologisk kompleksitet objektet blir sett

Siden bildene blir så representerer bilder av temperatur, vil objekter som overlapper fremstå som sammenhengende objekter fremfor diskrete stedene. Dette kan gjøre skjelne hvor fryseforekommende hendelser blir meget vanskelig og også øke vanskeligheten med å bestemme hvor isen blir dyrket i anlegget. Den beste måten å håndtere dette problemet er først å arbeide med enkle gjenstander (enkelte blader, stengler, etc.) og deretter bygge opp til mer komplekse objekter. Erfaring i å jobbe med spesifikke material har stor verdi i å håndtere dette problemet. I tillegg kan evnen til å overlappe det infrarøde bildet på toppen av en digital, synlig-lys bilde også i stor grad hjelpe til å analysere og forstå de infrarøde data.

Kunnskap om infrarød vitenskap

Selv om det ville være en fordel å være i stand til å bare peke kameraet mot et objekt og vet at temperaturdata som mottas er 100% nøyaktig, forstå hvordan infrarød energi samhandler med omgivelsene i stor grad kan øke de forståelse av hvordan best å bruke forskning-grade infrarøde kameraer og tolke data. Man skal bli litt kjent med begrepene emissivitet, refleksjon, og absorbans. For det meste, kan kameraet brukes uten å bekymre deg disse parameterne, men de kan bidra til å forklare vises innholdet i bildet og dens samlede kvalitet og nøyaktighet. Kort fortalt, når infrarød energi treffer en gjenstand det kan enten være reflected eller absorbert og deretter slippes ut. Naturen av objektet som studeres, derfor kan påvirke nøyaktigheten av dataene som mottas. Hvis et objekt har en høy refleksjon, vil man få et bilde mer representativ for de omkringliggende objekter som sender ut infrarød energi enn selve objektet. Absorbans av infrarød energi uten utslipp av den infrarøde energien kan også føre til å skaffe falske temperaturdata fra objektet som studeres. Kameraet sensorene oppdager slippes ut infrarød energi, derfor er de mest nøyaktige temperaturer hentet fra objekter som har en høy grad av emissivitet. Heldigvis har planter har et høyt nivå av emissivitet å tillate nøyaktige temperaturmålinger. Lavere nivåer av emissivitet kan kompenseres for ved justering av denne parameteren i kamerainnstillinger som deretter vil bruke en algoritme for å foreta en passende justering av temperaturen avlesning.

Evnen til å nøyaktig bestemme hvordan og når plantene fryseer nødvendig for å forstå utviklingen av fryse unngåelse mekanisme og rollen til anleggsstruktur i fryseprosessen. Frysing, til tross for sin tilsynelatende enkelhet, er en kompleks prosess og planter har utviklet en rekke strukturelle tilpasninger for å unngå frysing, compartmentalize isdannelse, og forhindre forplantning av is. Høy oppløsning infrarød termografi er en ny og kraftig verktøy som kan brukes til å studere kompleksiteten av fryseprosessen i planter og lede til utvikling av nye og effektive metoder for frostsikring. En bedre forståelse av fryse-unngåelse kan også hjelpe oss til å forstå hvordan disse adaptive mekanismer har utviklet seg, og hvilken rolle de spiller i biologi og overlevelse av forskjellige plantearter.

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