Bitkilerde Buz Çekirdeklenme ve Buz Yayma Çalışmaları Yüksek çözünürlüklü kızılötesi Termografi (HRIT) Kullanımı
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
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.
Protocol
Representative Results
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 va…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
P23681-B16: Bu araştırma, Avusturya Bilim Fonu'nun (FWF) tarafından finanse edildi.
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 |
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., Lütz, C. Ice formation and propagation in alpine plants. Plants in alpine regions: Cell Physiology of adaptation and survival strategies. , 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., Gusta, L. V., Wisniewski, M. E., Tanino, K. K. Ice nucleation, propagation and deep supercooling: the lost tribes of freezing studies. Plant Cold Hardiness: from the laboratory to the field. , 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, 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., Li, P. H., Sakai, A. Characteristics of freezing avoidance in comparison with freezing tolerance: a demonstration of extra-organ freezing. Plant cold hardiness and freezing stress. , 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., Margesin, R., Schinner, F. . Ice nucleation and deep supercooling in plants: new insights using infrared thermography. In: Cold adapted organisms. Ecology, physiology, enzymologyandmolecularbiology. , 105-118 (1999).
- Franks, F. . Biophysics and biochemistry at low temperatures. , (1985).
- Neuner, G., Kuprian, E., Hincha, D., Zuther, E. Infrared thermal analysis of plant freezing processes. Methods in Molecular Biology: Plant Cold Acclimation. , 91-98 (2014).
