Introduction
Frysning temperaturer som uppstår när växter aktivt växande kan vara dödlig, särskilt om anläggningen har liten eller ingen frysning tolerans. Sådana frost händelser har ofta förödande effekter på jordbruksproduktionen och kan också spela en viktig roll i att forma samhällsstrukturen i naturliga populationer av växter, särskilt i alpin, subarktiska och arktiska ekosystem 1-6. Episoder av allvarliga vårfrost har haft stora konsekvenser för fruktproduktion i USA och Sydamerika under de senaste åren 7-9 och har förvärrats av den tidiga starten av varmt väder, följt av mer typiska medel låga temperaturer. Den tidiga varma vädret inducerar knoppar att bryta, aktivera tillväxten av nya skott, blad och blommor som alla har mycket liten eller ingen frosttålighet 1,3,10-12. Sådana oregelbundna vädermönstren har rapporterats vara en direkt återspegling av de pågående klimatförändringarna och förväntas bli en gemensam vädermönster för Foreseeable framtid 13. Arbetet med att ge ekonomiska, effektiva och miljövänliga tekniker eller jordbrukskemikalier som kan ge ökad frosttålighet har haft begränsad framgång för en mängd olika skäl, men detta kan delvis tillskrivas den komplicerade karaktären av frysning tolerans och frys undvikande mekanismer i växter. 14
De adaptiva mekanismer i samband med frost överlevnad i växter har traditionellt delats in i två kategorier, frysning tolerans och frys undvikande. Den förstnämnda kategorin är förknippad med biokemiska mekanismer som regleras av en specifik uppsättning av gener som gör att växter att tolerera de påfrestningar i samband med närvaro och dehydrativ effekten av is i sina vävnader. Medan den senare kategorin är typiskt, men inte uteslutande, i samband med strukturella aspekter av en anläggning som bestämmer om, när och där is bildas i en anläggning 14. Trots förekomsten av frys undvikande som en annonsaptive mekanism, har lite forskning ägnats på senare tid för att förstå de bakomliggande mekanismerna och reglering av frys undvikande. Läsaren hänvisas till en färsk översyn 15 för mer information om detta ämne.
Medan isbildning vid låga temperaturer kan verka som en enkel process, många faktorer som bidrar till att bestämma den temperatur vid vilken is nucleates i växtvävnader och hur det sprids inom anläggningen. Parametrar såsom förekomsten av yttre och inre isympbildare, heterogena kontra homogena kärn händelser, termisk-hysteres (frostskyddsmedel) proteiner, förekomsten av särskilda sockerarter och andra osmolyter, och en mängd strukturella aspekter av anläggningen kan alla spela en betydande roll i frysningsprocessen i växter. Tillsammans står dessa parametrar påverkar den temperatur vid vilken en växt fryser, där is initieras och hur det växer. De kan också påverka morfologin hos de erhållna iskristallerna.Olika metoder har använts för att studera frysprocessen i anläggningar under laboratorieförhållanden, inklusive kärnmagnetisk resonansspektroskopi (NMR) 16, magnetisk resonanstomografi (MRT) 17, kryo-mikroskopi 18-19, och låg temperatur svepelektronmikroskop (LTSEM ). 20 Frysning av hela växter i laboratorie- och fältinställningar, har dock i huvudsak övervakats med termoelement. Användningen av termoelement för att studera frysning är baserad på frigöringen av värme (Smältvärme) när vatten undergår en fasomvandling från en vätska till en fast substans. Frysning registreras sedan som en exoterm händelse. 21-23 Trots termoelement är den typiska metoden för val att studera frysning i växter, har deras användning många begränsningar som begränsar mängden information som erhållits under en frys händelse. Exempelvis är det svårt att nästan omöjligt att avgöra var is initieras i växter, hur den fortplantar med termoelement,om den utbreder sig med en jämn hastighet, och om vissa vävnader förblir fria från is.
Framsteg i hög upplösning termografi (HRIT) 24-27, men har ökat betydligt möjligheten att få information om frysprocessen i hela växter, särskilt när de används i en differentialbildläget. 28-33 i denna rapport, vi beskriver användning av denna teknik för att studera olika aspekter av frysningsprocessen och olika parametrar som påverkar var och och vid vilken temperatur is initieras i växter. Ett protokoll kommer att presenteras som kommer att visa förmågan hos is-kärn-aktiv (INA) bakterien Pseudomonas syringae (Cit-7) för att fungera som en yttre nukleator inleda frysning i en örtartade växter på en hög, SubZero temperatur.
Högupplöst värmekamera
Protokollet och exempel dokumenteras i denna rapport använda en hög upplösning infrarödvideoradiometer. Den radiometer (Figur 1) levererar en kombination av infraröda och synliga spektrumet bilder och temperaturdata. Den spektrala svaret hos kameran är i intervallet från 7,5 till 13,5 | im och ger 640 x 480 pixlar. Synliga spektrat bilder som genereras av den inbyggda kameran kan vara kondenserad med IR-bilder i realtid, vilket underlättar tolkningen av komplexa, termiska bilder. En rad objektiv för kameran kan användas för att göra närbild och mikroskopiska observationer. Kameran kan användas i ett fristående läge eller gränssnitt och styrs med en bärbar dator med propietary programvara. Programvaran kan användas för att erhålla en mängd olika termiska data inbäddade i inspelade videor. Det är viktigt att notera att ett stort antal av infraröda radiometrar finns kommersiellt tillgängliga. Därför är det viktigt att forskaren diskutera deras avsedda användning med en kunnig produktingenjör och att forskaren testa förmågan hos någon specific radiometer för att ge den information som behövs. Avbildningsradiometer som används i det beskrivna protokollet är placerad i en akryllåda (fig 2) isolerad med Styrofoam v för att avskräcka exponering för kondensation under uppvärmningen och kylningsprotokoll. Behövs inte detta skydd för alla kameror eller program.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Beredning av växtmaterial
- Använd antingen blad eller hela plantor av ämne växtmaterial (Hosta spp. Eller Phaseolus vulgaris).
2. Beredning av vattenlösningar innehållande iskärnebildande Active (INA) Bakterier
- Kultur INA bakterien Pseudomonas syringae (Stam Cit-7) i petriskålar vid 25 ° C på Pseudomonas Agar F beredd med 10 g / L av 100% glycerol per tillverkarens riktning.
- Efter kulturer har vuxit tillräckligt, plats vid 4 ° C tills det behövs men hålla vid 4 ° C under två dagar före för att säkerställa en hög nivå av iskärnebildningsaktivitet.
- Skrapa bakterier från en enda platta från ytan av agar med en plast engångs eller återanvändbar metall spatel vid tidpunkten för användning och placera i 10-15 ml avjoniserat vatten i en 25 ml engångskyvett. Koncentrationen bör vara inom området av 1 x 07 till 1 oktober x 10 9 · -1. Lösningen kommer att visas grumlig. Det finns ingen anledning att bekräfta koncentrationen med hjälp av en hemocytometer eller spektrofotometer, som koncentration behöver bara vara ungefärlig.
- Vortexa kyvetten under minst 10 sekunder för att distribuera bakterierna.
Obs: Den specifika koncentrationen av den resulterande INA blandningen är inte viktigt och det protokoll som beskrivs kommer att ge mer än en lämplig nivå av iskärnebildningsaktivitet. Denna blandning av INA bakterier och vatten kommer att användas senare i kärnbildningsexperiment.
3. Konfigurera en frysning Experiment
- Placera den höga upplösningen värmekamera (SC-660) inuti det skyddande akryllådan så att lins skjuter ut genom öppningen i framsidan av lådan och ledningarna som förbinder kameran till en bärbar dator eller inspelningsenhet ut genom den bakre öppningen av lådan . Säkra locket på lådan och placera lådan inuti miljökammaren eller frys i en plats som alla kommerow ämnet växtmaterial ses.
- Tillhandahålla en mörk bakgrund runt växtmaterialet genom kantar väggarna hos kammaren med svart konstruktion papper för att förhindra interferens från reflekterad infraröd energi.
- Montera kammaren med LED-belysning för att minimera uppvärmning från ljuskällan när det krävs inspelnings bilder i synliga våglängder. Endast ett minimum av belysning, såsom en batteridriven garderob ljus eller andra små LED-enhet krävs för växterna att vara synliga för kameran.
- När synliga bilder av ämnet växtmaterial fattas, stänga av LED-belysning. Fördela alla externa kabelanslutningar (Firewire-anslutning till dator, strömsladd, etc.) till kameran via en hamn eller annan öppning i kammaren.
- Fyll något extra utrymme i hamnen eller öppning med isolerande skummaterial för att undvika eller minska temperaturgradienter i kammaren. Ställ in den initiala temperaturen av kammaren vid en ° C.
- Rikta växter eller växtdelar, så att växtmaterialet är i fält-av-vy av kameran och växtmaterial är synlig på fjärr bildskärm eller inom det valda programmet.
- Tillåt växter ekvilibrera vid en ° C under 30 min till 1 h, beroende på storleken hos växtmaterialet, före initiering av en kontrollerad frysning experiment. Detta säkerställer att temperaturen på anläggningen inte kommer att hamna på efterkälken lufttemperaturen många grader när frys försöket inleds. Ekvilibrering uppnås när temperaturen av växtmaterialet är inom 0,5 ° C av lufttemperaturen.
- Placera ett skikt av cellplast isolering ovanpå jorden i krukväxter om krukväxter används. När väl växterna har ekvilibrerats, påbörja kylning av kammaren.
Anm: Skiktet av isolering på jordytan av potten minskar mängden fortsatt värmeförlust från potten till luften som omger plantan, och förhindrar rötterna från freezing, eftersom detta skulle inte normalt inträffar under en frost händelse i naturen på grund av den massiva reservoar av restvärme som finns i jorden.
- Placera ett skikt av cellplast isolering ovanpå jorden i krukväxter om krukväxter används. När väl växterna har ekvilibrerats, påbörja kylning av kammaren.
- Ställ in önskade kameraparametrar (färgpalett, temperaturområde, särskilda intresseområden, etc.), vilket diskuteras i 3.4.1-3.4.4.
- Välj paletten regnbågen för att visa temperaturvariationer medan du tittar på live-avbilden.
- Ställ in temperaturomfånget till 5 ° C genom att justera temperaturen bar som ligger precis under bilden i programvaran.
- Välj den linjära skalan (algoritm) för att omvandla de infraröda data till den falska färgbilder enligt definitionen i den valda paletten (regnbåge) och ställ in temperaturintervall till 5 ° C och för att spåra automatiskt baserat på bilden. Alternativt, justera det inställda intervallet manuellt medan genomföra experimentet.
- Använd temperaturen i en viss punkt eller en genomsnittlig temperatur inom det definierade området av intresse som tillhandahålls av programinfoär. Hämta data från alla bildpunkter från den inspelade videosekvensen eller från information som är inbäddad i bildfilen temperatur. Figur 3 visar en typisk skärmbild inifrån ResearchIR programvara.
- Placera en markör på en plats på växtvävnad som representerar en specifik punkt av intresse. Definiera område av intresse som punkter (1 -3 pixlar i storlek), lådor, linjer, ellipser eller cirklar. Flera kombinationer av punkter eller former kan placeras över bilden.
- Spela in en videosekvens
- Ställ in kameran för att spela in på 60 Hz och för att inspelningen ska stoppas manuellt.
- Ange platsen på datorn eller extern hårddisk där den inspelade videofilen kommer att placeras.
- Börja inspelningen.
Obs: Inspelning till en extern hårddisk rekommenderas eftersom stora videofiler kommer att genereras. Inspelade videofiler kan senare redigeras för att innehålla endast den del som innehåller nevändig information. Detta kommer att avsevärt minska filstorleken. - Sänka temperaturen på kammarens stegvis med 0,5 -1,0 ° C. Vänta tills anläggningens temperatur jämvikt med lufttemperatur och sedan sänka temperaturen igen genom 0,5-1,0 ° C. Beroende på massan hos växtvävnaden som observeras och dess morfologi, kan jämvikts ta 10 till 15 min. Således, vilket ger en kylningshastighet av omkring 4 ° C / h.
- Fortsätt på detta sätt tills anläggningen fryser och observationer har slutförts. Avsluta inspelningen när frysprocessen har slutförts.
Obs: växtvävnad har jämviktats med lufttemperaturen när växtmaterialet och bakgrund har samma färg eftersom de är vid samma temperatur. Eftersom bakgrundstemperaturen och temperaturen hos växtvävnaden är desamma, kan det vara svårt att visualisera växtmaterial tills du åter sänka temperaturen och det finns temperaturskillnaden mellan växtvävnaden och enir temperatur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Ice-kärnverksamhet av Ice + bakterien Pseudomonas syringae (stam Cit-7)
En 10 | il droppe vatten och 10 fil vatten innehållande P. syringae (Cit-7) placerades på abaxial ytan av ett Hosta blad (Hosta spp.) (Figur 4). Såsom visas droppe vatten innehållande INA bakterier frös första och var ansvarig för att inducera bladet att frysa medan droppe vatten på bladytan förblev nedfrysta.
Frysning och Ice Förökning i en Woody växt
Figur 5 illustrerar både is initiering och is utbredning i en stam av ek (Quercus robur). Isbildning inleddes i kambium phloem regionen av stammen och fortplantas perifert runt stammen. Hastigheten av is förökning i vedartad växt stjälkar är mycket större i en längsgående riktning än i en lateral och circumferential riktning. 31
Priser från Ice Förökning och Hinder för Ice Förökning
Ice inleddes i stammen av en böna växt (P. vulgaris) på den plats där INA bakterier hade placerats (Figur 6A, pil). Efter den inledande frys händelsen, förökade is upp och ned stammen (Figur 6B-C). Med användning av videosekvens, som har en tidsstämpel, och mätavstånd på stjälken, möjliggör att man kan beräkna hastigheten av isen utbredning över ett givet avstånd. Diagrammet i fig 6 visar graden av is förökning upp stammen av böna växt från punkten för initial frysning och illustrerar en minskad hastighet av is förökning som is passerar genom nodala område av anläggningen. Använda infraröd termografi också gör att man kan fastställa förekomsten av eventuella fysiska hinder som hindrar spridning av isen i specifika vävnader. Figur 7 </ Strong> visar att frysa i en alpin art, Loiseleuria procumbens, där den vegetativa delen (stam och blad) av anläggningen har fryst men terminalblomknoppar förblir ofruset. Isbildning inte förrän 126-164 minuter efter frysning av stammen och löven hade inträffat och den resulterande exoterma svar hade försvunnit. Som reproduktiva skott av alpina vedartade arter fryser känslig 3,33, är av avgörande betydelse för reproduktiv framgång frysa skatteundandragande.
Förmåga av hydrofoba hinder för Block Extrinsic iskärnebildande inducerad Frys
En tomatplanta (Solanum lycopersicum) belades med en hydrofob kaolin-baserat material (fig 8A) för att bestämma om den hydrofoba barriären kan blockera yttre iskärnbildning inducerad frysning. Graden av kontakt av droppar av vätska med bladytan var mycket större i obelagda blad (
Figur 1. Högupplöst IR Radiometer. Modellen på bilden är en kamera FLIR SC-660 IR Video.
Figur 2. skyddande hölje för värmekamera. En akryl rutan används för att hysa kameran och förhindra att kondens bildas på värmekameran vid nedfrysning och upptining experiment. (A) Box med topp bort. (B) Kamera in i akryl rutan och locket stängt.
Figur 3. Visa och analysera värmebilder och Remote Camera Control. Skärmdump från ResearchIR programvaran. Programmet används för att visa sökarbilden, ändra kamerainställningar, spela in enstaka bilder, göra videoinspelningar och analysera temperaturdata i bilderna. Sätt på höger visar alternativ för att ändra kamerainställningar medan insatsen på nedre vänstra visar en temperatur histogram över den aktiva bilden.
Figur 4. extrinsic kärnbildning inducerad frysning från Hosta blad (Hosta spp.). Ofrysta droppar av vatten och INA bakterier, Pseudomonas syringae (stam Cit-7), är närvarande på abaxial bladytan (A). INA droppen fryser först (B) och initierar frysning av bladet (C). Is sprider sig genom bladet (D) och trots frysning av bladet, förblir vattendroppen ofruset (E). Droppe vatten på ytan av blad fryser efter hela bladet har frusit och börjar svalna vid sina kanter (F).
Figur 5. Ice initiering och utbredning i stammen av en träig växt (Quercus robur) vänstra panelen. Tvärsnitt av en vedartad stam av ek. (AH) Initiering av frysning händelse i området för floem och kambium (A) och fortskridande av isbildning runt stammen (B - H). Kuprian och Neuner, opublicerat.
Figur 6. Takt is utbredning i en böna växt (Phaseolus vulgaris) beräknas med hjälp av högupplösande termografi. (A) is inleddes i stammen (pilen). (B - C) Is utbrednings upp och ner på skaftet. Diagram vid toppen av figuren visar hastigheten för is förökning presenteras som avståndet isen reste med tiden allteftersom det flyttas upp stammen från den ursprungliga platsen för frysning. En försening i ice förökning inträffade som is förflyttas genom den nodala partiet av växtstemen. Denna siffra ändrades från Wisniewski et al. 24
Figur 7. Hinder för isbildning i den alpina vedartad växt, Loiseleuria procumbens (alpina azalea). (A) Synligt ljus bild av stammen av alpina azalea visar centralt skaft, bifogade blad, och terminal knoppar. (B - C) Frysning initieras i stammen och is utbreder ut i blad. Terminal knoppar förblir nedfrysta. (D - E) Terminal knoppar frysa oberoende 126-164 minuter efter initial frysning av stam och blad. Under denna tid hetta entalpin produceras av frysningen av skaftet och blad redan har försvunnit. Kuprian och Neuner, unpublished.
Figur 8. Hydrofoba hinder blockerar yttre kärn inducerad frysning av tomat (Solanum lycopersicon). (A) Hydrofob kaolin baserat material appliceras på tomatplantor. (B - C). Minskad nivå av kontakt mellan bladytan och vätskedroppar innehållande INA bakterier på bestruket (B) vs. obestruket (C) lämnar. (D) Obestruket växt (höger) undergår en exotermisk reaktion i samband med frysning av anläggningen medan belagda växtrester kylt, och inte nedfrysta vid ungefär -6 ° C. Denna siffra har modifierats Wisniewski et al. 34
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vatten har förmågan att kyla till temperaturer långt under 0 ° C och den temperatur vid vilken vatten kommer att frysa kan vara ganska variabel. 36 Den gränstemperaturen för underkylning av rent vatten är ca -40 ° C och definieras som den homogena kämbildningspunkt. När vatten fryser vid temperaturer varmare än -40 ° C det åstadkoms genom närvaron av heterogena nukleatorer som möjliggör små is embryon att bilda som sedan fungera som en katalysator för isbildning och tillväxt. 37 Det finns en mängd av molekyler i naturen som fungera som mycket effektiva is nukleeringsmedel, således mest frysning av vatten i naturen inträffar vid temperaturer strax under 0 ° C. Förmågan att reglera eller påverka aktiviteten hos heterogena kärnbildningsmedel har betydande potential som en ny metod för att tillhandahålla frysskydd på växter. Förstå hur is bildas och fortplantar sig i frysning känsliga och frysning-toleranta växter är avgörande för achieving detta mål.
Såsom anges i inledningen, har olika metoder använts för att studera frysprocessen i anläggningar under laboratorieförhållanden, men frysning av växter i naturen har huvudsakligen övervakas med hjälp av termoelement. Högupplösande infraröd termografi (HRIT) 24-28,34, erbjuder flera distinkta fördelar som en metod för att studera frysprocessen i växter. HRIT gör att man kan observera den inledande platsen för isbildning, antalet frysning händelser som behövs för att frysa en hel växt, faktiskt observera hur is fortplantas i en anläggning och om eventuella hinder för is förökning är närvarande, och fastställa om några delar av en växt förblir isfritt. Viktigast, tillåter det en att observera frysprocessen i hela växter i stället för små, isolerade delar av en växt som har tagits bort från moderplantan.
Denna rapport beskriver tillämpningen av HRIT till studiet av freezing i intakta växter eller växtdelar, och ger flera exempel på hur denna teknik kan användas för att undersöka flera parametrar som kan påverka hur och när is bildas i växter och hur isen fortplantas. Kritiska aspekter för att genomföra dessa studier innebär känsligheten och noggrannheten hos infraröd kamera, de parametrar som används i installationen av kameran och inspelning av videosekvenser, varvid kylningshastigheten, den strukturella / morfologiska komplexitet ämnet visas, och kunskap om infraröd vetenskap. Dessa poster kommer att behandlas individuellt.
Känslighet och precision av värmekamera (radiometer)
De exoterma händelser under frysning av växtvävnader som håller på att visualiseras är mycket små, som sträcker sig från <0,1 till ca 0,5 ° C. Därför måste den infraröda kameran vara känslig nog för att skilja små förändringar i temperatur. Temperatur noggrannhet är också en viktig aspekt ochkräver att kameran kalibreras regelbundet (minst en gång per år). Medan detta kan göras av användaren, det kräver användning av flera svarta kroppar som täcker ett brett intervall av temperaturer. Därför är det bäst att ha kameran fabrikskalibrerad. Om en hög noggrannhet temperaturen är absolut nödvändigt, är det starkt rekommenderat att ett termoelement kan användas tillsammans med värmekamera. Detta kan monteras nära objektet som studeras för att ge en noggrann uppskattning av lufttemperaturen.
Kameraparametrar
En mängd parametrar kan justeras på avancerade, avancerade värmekameror. Genom att använda kameran för att visa och / eller spela frysning händelser, är det viktigt att bildmedelvärdes användas för att minska en brusig bild, vilket gör det lättare att visualisera växtdelar och frysning händelser. Bild genomsnitt inträffar när en hög bildkvalitet väljs i kamerainställningarna. Eftersom mindre frys exoterms förväntas, är det också viktigt när man tittar frysprocessen för att ställa in temperture spännvidd på kameran för att täcka en liten temperaturområde (2-5 ° C). Detta behövs eftersom programvaran kommer att distribuera den valda färgpalett över hela spännvidd inställd för kameran. Därför, om det finns 10 färger i pallette och en har spännet inställd på 100 ° C, deras skulle bara vara en förändring i färg, om det fanns en 10 ° C temperaturförändring. En hög avskiljningsgrad (tio bilder per sekund) bör användas så att små exoterma händelser, som förlorar snabbt, inte missas. Olika färgpaletter och gråskalor kan väljas från en rullgardinsmeny. Val av lämpligaste paletten bör baseras på huruvida det ger det bästa alternativet för att visualisera de termiska händelser av intresse. Avancerade kameror erbjuder också flera alternativ för att spela in en videosekvens och / eller fånga enstaka bilder. Ett visst antal bildrutor över en viss varaktighet kan väljas.Detta är bäst för inspelning sekvenser av kort varaktighet (minuter) snarare än timmar. Alternativt kan antalet bildrutor per sekund anges och kameran inställd på att stoppa inspelningen manuellt eller efter ett visst antal bildrutor. Avancerade kameror erbjuder också möjlighet för inspelningar att påbörja eller slutet baserat på fördefinierade triggers (temperatur eller tid).
Kylningshastighet
Det är viktigt att temperaturen för växtmaterial som visas inte skiljer sig dramatiskt från lufttemperaturen under kylning. Om temperaturen sänks för snabbt, kommer växter kyla och frysa vid en lägre lufttemperatur än de skulle under naturliga kylningshastigheter. De flesta studier rekommenderar en kylningshastighet av 1-2 ° C h -1, speciellt vid temperaturer över -5 ° C, vilket ger gott om tid för växter för att komma i jämvikt med lufttemperaturen. I verkligheten kan växtmaterialet kommer i jämvikt mycket snabbare. Dettakan bestämmas genom att jämföra temperaturen hos växtmaterialet med temperaturen av bakgrunden runt anläggningen. Om anläggningen är i jämvikt, kommer det att vara svårt att urskilja växten från dess bakgrund i den infraröda bilden som det kommer att vara vid samma temperatur som bakgrunden och bilden kommer att visas vara nästan homogena i färg.
Strukturell morfologiska komplexiteten hos det föremål som tittade
Eftersom bilderna som tittade representerar bilder av temperatur, kommer objekt som överlappar visas som angränsande objekt snarare än diskreta objekt. Detta kan göra kräsna där frysning händelser förekommande mycket svårt och även öka svårigheten att avgöra hur isen att förökas i anläggningen. Det bästa sättet att ta itu med detta problem är att först arbeta med enkla föremål (lösa blad, stjälkar, osv) och sedan bygga upp till mer komplexa objekt. Erfarenhet av att arbeta med specifika marial har stort värde för att hantera detta problem. Dessutom kan förmågan att överlagra den infraröda bilden på toppen av en digital, synligt ljus bild också i hög grad bidra till att analysera och förstå de infraröda data.
Kunskap om infraröd vetenskap
Även om det skulle vara fördelaktigt att kunna helt enkelt rikta kameran mot ett objekt och vet att de temperaturdata som mottagits är 100% korrekt, att förstå hur infraröd energi interagerar med sin omgivning kan kraftigt öka de förståelse för hur man bäst använder forskningskvalitet infraröda kameror och tolka data. Man bör bli något bekant med termerna emissivitet, reflektans, och absorbans. För det mesta kan kameran användas utan att behöva oroa dessa parametrar, men de kan bidra till att förklara beskaffenheten av den bild som visas och dess totala kvalitet och noggrannhet. I korthet, när infraröd energi träffar ett föremål kan det vara antingen reflected eller absorberas och sedan emitteras. Naturen hos det objekt som studeras, därför, kan påverka noggrannheten hos de data som tas emot. Om ett objekt har en hög reflektans, kommer man att få en bild mer representativ för de omgivande föremål som avger infraröd energi än själva objektet. Absorbans av infraröd energi utan att släppa ut den infraröda energin kan också leda till att få falska temperaturdata från det objekt som studeras. Kameran sensorerna känner utsända infraröd energi, och därför är de mest exakta temperaturer som erhållits från objekt som har en hög emissivitet. Lyckligtvis behöver växter har en hög nivå av emissions tillåter noggranna temperaturmätningar. Lägre nivåer av emissions kan kompenseras genom att justera denna parameter i kamerainställningar som sedan kommer att använda en algoritm för att göra en lämplig justering i temperaturavläsningen.
Förmågan att exakt fastställa hur och när växter fryserär nödvändig för att förstå utvecklingen av fryst Mekanism för att undvika och rollen av anläggningsstruktur i frysningsprocessen. Frysning, trots sin skenbara enkelhet, är en komplex process och växter har utvecklat en mängd strukturella anpassningar för att undvika frysning, compartmentalize isbildning, och förhindra spridning av is. Högupplöst infraröd termografi är ett nytt och kraftfullt verktyg som kan användas för att studera komplexiteten hos frysprocessen i växter och leda till utveckling av nya, effektiva metoder för frostskydd. En bättre förståelse av frys undvikande kan också hjälpa oss att förstå hur dessa adaptiva mekanismer har utvecklats, och den roll de spelar i biologi och överlevnad olika växtarter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inga konkurrerande ekonomiska intressen eller intressekonflikter.
Acknowledgments
Denna forskning har finansierats av den österrikiska Science Fund (FWF): P23681-B16.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Infrared Camera | FLIR | SC-660 | Many models available depending on application |
| Infrared Analytical Software | FLIR | ResearchIR 4.10.2.5 | $3,500 |
| Pseudomonas syringae (strain Cit-7) | Kindly provided by Dr. Steven Lindow, University of California Berkeley icelab@berkeley.edu | ||
| Pseudomonas Agar F | Fisher Scientific | DF0448-17-1 |
References
- Taschler, D., Beikircher, B., Neuner, G. Frost resistance and ice nucleation in leaves of five woody timberline species measured in situ during shoot expansion. Tree Physiol. 24, 331-337 (2004).
- Neuner, G., Hacker, J. Ice formation and propagation in alpine plants. Plants in alpine regions: Cell Physiology of adaptation and survival strategies. Lütz, C. , Springer. 163-174 (2012).
- Ladinig, U., Hacker, J., Neuner, G., Wagner, J. How endangered is sexual reproduction of high-mountain plants by summer frosts? - Frost resistance, frequency of frost events and risk assessment. Oecologia. 171, 743-760 (2013).
- Wisniewski, M. E., Gusta, L. V., Fuller, M. P., Karlson, D. Ice nucleation, propagation and deep supercooling: the lost tribes of freezing studies. Plant Cold Hardiness: from the laboratory to the field. Gusta, L. V., Wisniewski, M. E., Tanino, K. K. , CAB International. 1-11 (2009).
- Bokhurst, S., Bjerke, J. W., Davey, M. P., Taulavuori, K., Taulavuori, E., Laine, K., Callaghan, T. V., Phoenix, G. K. Impacts of extreme winter warming events on plant physiology in a sub-Arctic heath community. Physiol. Plant. 140, 128-140 (2010).
- Taulavuori, K., Laine, K., Taulavuori, E. Experimental studies on Vaccinium myrtillus.and Vaccinium vits-idea.in relation to air pollution and global change at northern high latitudes: A review. Env. Exp. Bot. 87, 191-196 (2013).
- Wisniewski, M., Glenn, D. M., Gusta, L., Fuller, M. Using infrared thermography to study freezing in plants. HortScience. 43, 1648-1651 (2008).
- Gu, L., et al. The 2007 eastern US spring freeze: increased cold damage in a warming world. BioScience. 58, 253-262 (2008).
- Augspurger, C. K. Spring warmth and frost: phenology, damage, and refoliation in a temperate deciduous forest. Func. Ecol. 23, Spring. 1031-1039 (2007).
- Neuner, G., Erler, A., Hacker, J., Ladinig, U., Wagner, J. Frost resistance of reproductive tissues in various reproductive stages of high alpine plant species. Physiol. Plant. 147, 88-100 (2013).
- Skre, O., Taulavuori, K., Taulavuori, E., Nilsne, J., Igeland, B., Laine, K. The importance of hardening and winter temperature for growth in mountain birch populations. Env. Exp. Bot. 62, 254-266 (2008).
- Hänninen, H., Tanino, K. Tree seasonality in a warming climate. Trends in Plant Science. 16, 412-416 (2011).
- Katz, R. W., Brown, B. G. Extreme events in a changing climate: variability is more important than averages. Climate Change. 21, 289-302 (1992).
- Wisniewski, M., Gusta, L. Understanding plant cold hardiness: an opinion. Physiol. Plant. 147, 4-14 (2013).
- Wisniewski, M., Gusta, L., Neuner, G. Adaptive mechanisms of freeze avoidance in plants. A brief update. Env. Exp. Bot. 99, 133-140 (2014).
- Burke, M. J., Gusta, L. V., Quamme, H. A., Weiser, C. J., Li, P. H. Freezing and injury in plants. Annu. Rev. Plant Physiol. 27, 507-528 (1976).
- Ishikawa, M., Price, W. S., Ide, H., Arata, Y. Visualization of freezing behaviors in leaf and flower buds of full-moon maple by nuclear magnetic resonance microscopy. Plant Physiol. 115 (4), 1515-1524 (1997).
- Ishikawa, M., Sakai, A. Characteristics of freezing avoidance in comparison with freezing tolerance: a demonstration of extra-organ freezing. Plant cold hardiness and freezing stress. Li, P. H., Sakai, A. , Academic Press. 325-340 (1982).
- Buchner, O., Neuner, G. Freezing cytorrhysis and critical temperature thresholds for photosystem II in the peat moss Sphagnum capillifolium. Protoplasma. 243 (1), 63-71 (2010).
- Pearce, R. S. Extracellular ice and cell shape in frost-stressed cereal leaves: A low temperature scanning electron microscopy study. Planta. 175, 313-324 (1988).
- Ashworth, E. N., Anderson, J. A., Davis, G. A., Lightner, G. W. Ice formation in Prunus persica. under field conditions. J. Am. Soc. Hort. Sci. 110 (3), 322-324 (1985).
- Ashworth, E. N., Davis, G. A. Ice formation in woody plants under field conditions. HortSci. 21, 1233-1234 (1986).
- Pramsohler, M., Hacker, J., Neuner, G. Freezing pattern and frost killing temperature of apple (Malus domestica.) wood under controlled conditions and in nature. Tree Physiol. 32 (7), 819-828 (2012).
- Wisniewski, M., Lindow, S. E., Ashworth, E. N. Observations of ice nucleation and propagation in plants using infrared video thermography. Plant Physiol. 113 (2), 327-334 (1997).
- Lutze, J. L., et al. Elevated atmospheric [CO2] promotes frost damage in evergreen tree seedlings. Plant Cell Environ. (6), 631-635 (1998).
- Ball, M. C., et al. Space and time dependence of temperature and freezing in evergreen leaves). Func. Plant Biol. 29 (11), 1259-1272 (2002).
- Sekozawa, Y., Sugaya, S., Gemma, H. Observations of ice nucleation and propagation in flowers of Japanese Pear (Pyrus Pyrifolia). Nakai) using infrared video. 73 (1), 1-6 (2004).
- Hacker, J., Neuner, G. Ice propagation in plants visualized at the tissue level by IDTA (infrared differential thermal analysis). Tree Physiol. 27, 1661-1670 (2007).
- Hacker, J., Neuner, G. Ice propagation in dehardened alpine plant species studied by infrared differential thermal analysis (IDTA). Arc. Antarc. Alp. Res. 40 (4), 660-670 (2008).
- Hacker, J., Spindelböck, J., Neuner, G. Mesophyll freezing and effects of freeze dehydration visualized by simultaneous measurement of IDTA and differential imaging chlorophyll fluorescence. Plant Cell Environ. 31, 1725-1733 (2008).
- Neuner, G., XU, B., Hacker, J. Velocity and pattern of ice propagation and deep supercooling in woody stems of Castanea sativa., Morus nigra. and Quercus robur. measured by IDTA. Tree Physiol. 30, 1037-1045 (2010).
- Hacker, J., Ladinig, U., Wagner, J., Neuner, G. Inflorescences of alpine cushion plants freeze autonomously and may survive subzero temperatures by supercooling. Plant Sci. 180, 149-156 (2011).
- Kuprian, E., Briceno, V., Wagner, J., Neuner, G. Ice barriers promote supercooling and prevent frost injury in reproductive buds, flowers and fruits of alpine dwarf shrubs throughout the summer. Env. Exp. Bot. 106, 4-12 (2014).
- Wisniewski, M., Glenn, D. M., Fuller, M. Use of a hydrophobic particle film as a barrier to extrinsic ice nucleation in tomato plants. HortScience. 127, 358-364 (2002).
- Aryal, B., &Neuner, G. Leaf wettability decreases along an extreme altitudinal gradient. Oecologia. 162, 1-9 (2010).
- Wisniewski, M., Fuller, M. P. Ice nucleation and deep supercooling in plants: new insights using infrared thermography. In: Cold adapted organisms. Ecology, physiology, enzymologyandmolecularbiology. Margesin, R., Schinner, F. , Springer. 105-118 (1999).
- Franks, F. Biophysics and biochemistry at low temperatures. , Cambridge University Press. (1985).
- Neuner, G., Kuprian, E. Infrared thermal analysis of plant freezing processes. Methods in Molecular Biology: Plant Cold Acclimation. Hincha, D., Zuther, E. , Springer. 91-98 (2014).
