Abstract
Elektronisk udstyr og højspænding ledninger inducerer magnetfelter. Et magnetisk felt af 1,300-2,500 Gauss (0,2 Tesla) blev påført på Petri-skåle indeholdende frø af Garden Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), og Mescluns (Lepidium sativum ). Vi anvendte magneter under dyrkningsskålen. I løbet af de 4 dage efter påføring, observerede vi, at stilken og rod længde øges. Gruppen underkastes magnetfelt behandling (n = 10) viste en 1,4 gange hurtigere vækstrate sammenlignet med kontrolgruppen (n = 11) i alt 8 dage (p <0,0005). Denne sats er 20% højere end rapporteret i tidligere undersøgelser. Tubulin komplekse linier afse forbinder punkter, men forbindelsespunkter forekomme ved anvendelse af magneter. Dette viser fuldstændig forskel fra kontrollen, hvilket betyder unormale arrangementer. Men den nøjagtige årsag forbliver uklar. Disse resÜLTS af vækstforøgelse på anvendelsen magneter tyder på, at det er muligt at forbedre væksthastigheden, forøge produktiviteten eller styre hastigheden på spiring af planter ved at anvende statiske magnetfelter. Desuden kan magnetfelter forårsage fysiologiske ændringer i planteceller og kan inducere vækst. Derfor kan stimulation med et magnetfelt har mulige virkninger, der svarer til dem af kunstgødning, hvilket betyder, at der kan undgås brugen af gødning.
Introduction
Spiring er væksten af en plante, der resulterer i dannelsen af kimplante 1. Under visse betingelser, frøspiring begynder og de embryonale væv genoptage vækst. Det begynder med hydrering til frøet for at aktivere enzymer til spiring. Frø kan induceres til at spire in vitro (i en petriskål eller reagensglas) 1,2.
Statiske magnetfelter er specialstyrker, der forårsager bevægelser af molekyler med ioniske afgifter i form af Lorentz kraft 3,4. Lorentz kraft dannes, når en ioniseret eller ladede objekt bevæger sig under et magnetfelt. Hvert materiale dannes med atomer, der er sammensat af elektroner og protoner. Når magnetfelter bliver nærværende, uanset om det er statisk eller skiftende, påvirker bevægelsen af ladet materiale. Dette gælder også for planter og vandmolekyler, hvilket påvirker det intracellulære molekyle tilstand. I en tidligere undersøgelse blev elektromagnetiske spoler anvendtat generere pulserende magnetiske felter og 'Komatsuna' planter blev valgt som de emner 5. I den foreliggende undersøgelse magnet genererede statiske magnetfelter blev anvendt til opnåelse af et lignende, men forskellige virkninger som en udvidelse undersøgelse af Lorentz-kraften.
Frekvensen af det magnetiske felt, snarere end dens polaritet, er en afgørende faktor for planter spiring. Tidligere undersøgelser har antydet, at maksimale spiringshastigheder var 20% højere end kontrol, når frekvensen af det magnetiske felt var ca. 10 Hz. Da feltet blev fjernet i en retrograd måde blev væksten svækket 5. Statiske magnetfelter har en betydelig indvirkning på den oprindelige 6-8 vækst, primært på spiring 6 og rodvækst 7.
I den foreliggende undersøgelse, brugte vi statiske magneter til at undersøge muligheden for at regulere væksten af landbrugsplanter ved hjælp af magnetfelter. Især vi havde til formål at determine, om visse betingelser for magnetfelt ansøgning kan øge vækstraterne til højere niveauer end dem, der nævnes i litteraturen. Desuden hvis den oprindelige spiring af planter held kan øges ved hjælp af et magnetfelt, kan undgås brugen af kunstgødning,.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Oprindelige indstillinger
- Landbrugsplantearter
- Brug Have Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), og Mescluns (Lepidium sativum) frø.
BEMÆRK: Impatiens balsamina (Garden Balsam eller Rose Balsam) er en art indfødte til Indien; et par medlemmer er også placeret i Myanmar. Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis eller komatsuna) er en variant af den samme art som den fælles majroe. Have karse (Lepidium sativum) er en type urt, der taksonomisk relateret til brøndkarse og sennep. De har lignende smag og duft, for hvilke de er kommercielt udnyttet 5,7.
- Brug Have Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), og Mescluns (Lepidium sativum) frø.
- plantekulturer
- Culture Garden Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), og Mescluns (Lepidium sativum) frø i en diameter på 100 mm (100 pi) petriskål. Sikre, at én plade indeholder kun én type arter.
- For dyrkningsbetingelser, placere frøene på cellulose-håndklæde. Fordyb håndklædet og frø i tredobbelt destilleret vand. Mål og bekræfter, at den indendørs lab RT er 18-25 ° C, med fugtighed spænder 65-75% (se venligst afsnit 3.1.2).
- For antallet af frø, kultur 10 ± 1 frø af Garden Balsam, 50 ± 10 frø af Mizuna, 330 ± 20 frø af Komatsuna og 380 ± 20 frø af Mescluns. Brug identiske betingelser målt som 18-25 ° C, med fugtighed spænder 65-75% (se venligst afsnit 2.1.1).
BEMÆRK: Alle eksperimenter blev udført på indendørs forhold med det regulerede luftfugtighed og temperaturområde i laboratoriet. Luftfugtigheden og temperaturen var ikke statisk, men forudsat de samme betingelser for magnet behandlede gruppe og kontrol.
2. Kultur Fire landbrugsplanter
- Forsøgsprocedure
- Følg punkt 1.2.3) for arter af planter og dyrkningsbetingelser i kontrol og magnet anvendt gruppe.
- Påfør tre magneter af 1.750 ± 350 Gauss (10.000 Gauss = 1 Tesla) i bunden af de 100 pi retter til Garden Balsam. Under påføringen, således at de tre magneter er ikke i direkte kontakt med frøene, og er adskilt af plast bunden af petriskålen. Den direkte afstand mellem frø og magneter bør være 2-4 mm. Ansøg magneter for 168 timer (7 dage) i fire landbrugsplanter.
- Efter alle trin identisk i 2.1.2), gælder to magneter, en (vender N side opad) på toppen og anden magnet (vender S side opad) på bunden af haven Balsam kultur plade.
BEMÆRK: poler anvendes forskelligt i Garden Balsam. Imidlertid er den pol orientering ikke betragtes som en afgørende faktor i denne undersøgelse for vækst ændringer, som alle miljøer er ens, bortset retningenaf den magnetiske flux. Formålet med N og S pole ansøgning om Garden Balsam var at se den praktiske evne i at bruge det på områder, hvor pole orientering kunne være svært at administrere.
3. tubulin Farvning af Garden Balsam
- Magnet Applikationer med Reguleret lysforhold
- Placer to magneter (N pol opad) nederst på 100 mm plade i 48 timer, ved hjælp af betingelser i trin 1.2.2.
BEMÆRK: modifikation af lys, blev dyrkningsskålene anbragt på en plast hylde i inkubatoren. Inkubator blev anvendt til opfangning af lys og opretholde temperaturen ved 25 ° C i 48 timer i mørke omgivelser. Til sidst blev denne betingelse ikke anvendt i dette forsøg på grund af høje variationer i vækst længde.
- Placer to magneter (N pol opad) nederst på 100 mm plade i 48 timer, ved hjælp af betingelser i trin 1.2.2.
- Plant Farvning
- Fastgør hele impatiens SPP dobbelt blomst plante, (herunder stilk og rødder) dyrket på identiske betingelser med trin 3.1.2) i 4% paraformaldehyd og 0,1 Mphosphatbuffer (pH 7,4) i 15 min.
- Fjern Impatiens prøven og nedsænke i 2 timer i blokeringspuffer (2% hesteserum / 1% bovint serumalbumin / 0,1% Triton X-100 i PBS, pH 7,5). Vask Impatiens prøven ved nedsænkning med PBS i 15 min.
- For dobbelt immunfarvning, inkubere prøven med primært antistof, anti-alfa tubulin (1: 1.000), O / N ved 4 ° C.
- Fjern prøven og fordybe prøverne gang med PBS i 10 min for at vaske. Brug FITC-konjugeret anti-muse-IgG (1: 400) som det sekundære antistof og inkuberes i 2 timer ved 25 ° C.
- Fordyb prøven i PBS og dække glide hele prøven på bunden af plade med 24 brønde. Anskaf billeder ved hjælp af en konventionel fluorescens mikroskop for at observere tubulin orientering (λ = 550 nm, forstørret til 100X, 200X og 400X).
BEMÆRK: I dette tilfælde blev magneten behandlede gruppe (n = 10) og kontroller (n = 11) bekræftet for Garden Balsam (Impatiens balsamina) kun, dyrket i ikke-mørke forhold.
4. Dataindsamling Metoder
- Time-lapse Oprettelse af Four Agricultural Plant Growth
- Fotografere anlægget i 10 min intervaller, ved at indstille lukkeren til automatisk (dette kan gøres i ethvert digitalt kamera). Indstil blænden til F 3.2 og ISO værdien til 400.
- Saml 700-900 billeder i 7-10 dage. Tilslut kameraet med elektriske ledninger, da batteriet kan være udtømt.
- Træk billeder ved at klikke og slippe hvert billede kronologisk under streaming linje med filmoptagelse software (se materialer og udstyr tabel). Sæt det på en streaming linje i lige varigheder på 0,045-0,05 sek for hver til en film i alt 30-40 sek. Kontroller således, at der ikke er nogen mørke huller med at vælge hvert billede i en kronologisk rækkefølge.
- Efter trin 4.1.3, klik på play-knappen i software for at sikre den kompileret-film i en 30-40 sek tid-lapse video slide og klik gengive og gemme til .mpeg eller .avi format. For størrelse markers, brug canadisk kvarter, en amerikansk Penny, og en centimeter lineal på siden af billedet.
- Udfør t-test og box plot til statistisk analyse 11,12.
BEMÆRK: Grupper af fem-nummer oversigter blev anvendt til at beregne den nedre grænse (L) værdi som Q1 - [1,5 × (Q3 - Q1)] og den højere grænse (H) værdi som Q3 + [1,5 × (Q3 - Q1) ]. Denne tilgang blev inkorporeret i trin 1.2.2 til indsamling længde af data 11. L- og H værdier viser arealet af t-fordelingen plots 99%, hvilket betyder, at datapunkterne observeret uden for dette område kan betragtes outliers. Box plots og Students t-test blev anvendt til at analysere forskellene i højder af kimplanter 12.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tubulin-farvning viste dispergeret eller tyndet strukturer i planter dyrket i nærvær af magneten sammenlignet med kontrollen (figur 2). Desuden 7 dages tid-lapse studier med landbrugsplanter, herunder Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis) og Mescluns (Lepidium sativum) viste, at en magnet afledt statiske magnetfelt øger indledende vækst af disse planter (figur 3).
Disse resultater antyder, at gruppen udsat for et magnetfelt havde en bemærkelsesværdig vækst ændring (figur 1). Planter dyrket i mørke omgivelser viste ikke nogen forskel, hvilket tyder på, at kun lyset eksisterende tilstand var gældende i en 7 dages tid-lapse eksperiment. Tre repræsentative landbrugsplanter blev anvendt i denne undersøgelse, men flere planter kunne have været brugt. Afgrøder og andre planter kan blive behandlet ved anvendelse afden samme protokol. I tidligere undersøgelser, at væksten steg med 20%, mens de foreliggende resultater viste en 1,4 gange stigning, hvilket er 40%. Således er anvendelse af en magnet med statisk magnetfelt var mere effektiv end anvendelse af alternerende magnetiske pulser.
At bestemme virkningen af et magnetfelt kan være kompliceret, fordi enhver molekylær struktur med elektrisk ladning kan påvirkes 3,4. Det statiske magnetfelt syntes at påvirke den initiale vækst i haven balsam i en dyrket cellulose tårn væv. Værdien var statistisk signifikante og var ca. 1,4 gange væksthastighed af kontrollen. Tubulin er afgørende for at opretholde anlægsstruktur under celleforlængelse og vækst 9.
Figur 1. Vækst af Garden Balsam. (A) Væksten i Garden Balsam behandlet med en statisk magnetfelt under mørke forhold var marginal; Men planterne voksede hurtigere, når de udsættes for lys (den eneste repræsentant billede vist). (B) Når de udsættes for lys, på dag 3, højdeforskellen var statistisk signifikant (p <0,01, tosidet t-test). (C) Hver enkelt plante højde var højere indtil dag 7 (**: øvre grænse for standardafvigelsen for måling). Mørke betingelser inducerede ikke nogen forskel, hvilket indikerer, at virkningerne af det magnetiske felt kan være forbundet med hormoner. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. tubulin farvning af Garden Balsam ogstigning i vækstraten for Garden Balsam efter anvendelsen af et magnetfelt. (A) Have Balsam viste en dispergeret fordeling af tubulin struktur, når et magnetisk felt blev påført. Dette fund tyder på, at væksten-arrestere protein strukturer som tubulin (og muligvis actin) er påvirket af statiske magnetfelter. (B) Den gennemsnitlige vækstrate var 1,4 gange højere end for kontrollen, og den gennemsnitlige højde var højere i gruppen behandlet med magnetfeltet. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Et magnetfelt lettede væksten i Mescluns (Lepidium sativum, foran) og Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis). Frøet supmenteret petriskål blev behandlet med et magnetfelt på 1750 ± 350 Gauss og observeret i 7 dage med en time-lapse interval på 10 min. Den time-lapse video blev skåret til 15 fragmenter af 11 timer hver. Klik her for at se en større version af dette tal.
Supplerende Video 1: Vækst timelapse over Garden Balsam (Impatiens balsamina) A Garden Balsam (Impatiens balsamina) frø suppleret petriskål blev behandlet med et magnetfelt på 1750 ± 350 Gauss og derefter observeret i 7 dage med en time-lapse interval på 10. min. Videoen blev omstruktureret i en 30 min film. Klik her for at se denne video. (Højreklik for at downloade.)
Supplerende Video 2:. Sammenligning af væksten af 3 planter dyrket i tre eksemplarer Mizuna (. Brassica rapa var japonica), Komatsuna (. Brassica rapa var perviridis), og Mesclun (Lepidium sativum) frø er vist i en 100 mm diameter (100 pi ) Petriskål. Under samme betingelser som dem af Garden Balsam, blev de tre arter vurderes hver for sig, som afslørede, at magneten effekt bredt observeres i landbrugsplanter. Klik her for at se denne video. (Højreklik for at downloade.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Under alle forhold skal magneter anvendes under petriskål. Denne undersøgelse undersøgte indflydelsen af magnetiske felter på vækstraten af frø i flere landbrugsprodukter arter, med fokus på Garden Balsam som repræsentant for landbrugsplanter. For eksempel blev tubulin farvning udført på Garden Balsam at evaluere ændringerne molekylær-niveau i rod og stængel skelet mikrostrukturer tyder indflydelse af det magnetiske felt i længde proliferation. Både N og S poler magneten blev anvendt i en lang sigt (7-10 d) opfølgende undersøgelse ved hjælp Have Balsam. Tre andre arter, Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), og Mesclun (Lepidium sativum), blev behandlet med N-polede orienterede magneter. Det var yderligere at verificere, at det statiske magnetfelt selv, ikke polerne, var en væsentlig faktor i indledende enhancement vækst. Derudover øge antallet af arter understøtterbredere anvendelighed af magnet-afledt indledende lettelse vækst i landbrugsplanter.
Mange faktorer, såsom ernæring, fugtighed, temperatur og lys, kan påvirke hastigheden af plantevækst tre. Hver af disse blev holdt konstant over behandlinger. Ernæringstilskud blev udelukket ved kun at dyrke i triple-destilleret vand. Vi først kontrolleret for lys-eksperimenter blev indledningsvis udføres på Garden Balsam i en inkubator under mørke forhold. Vækst mønstre i mørke omgivelser adskilte sig fra dem, der i lyset miljø. Derfor gennemførte vi efterfølgende eksperimenter under lysforhold (ved hjælp af identiske mængder af lys i alle forsøgsgrupper). For tubulin farvning, blev Garden Balsam dyrket under kontrollerede forhold (triple-destilleret vand, temperatur 18-25 ° C, luftfugtighed 65% -75%). Andre eksperimenter af 7-10-d opfølgende undersøgelse havde identiske "null betingelser: ingen ernæring" betingelser til dem, der anvendes med Garden Balsam (tredobbelt destilleret vand, temperatur 18-25 ° C, fugtighed 65% -75%). Med hensyn til magnet ansøgning, brugte vi en strategi, hvor vi kvantitativt øget antallet af arter og varigheden af magneten ansøgning for yderligere at undersøge, om magnetfelter har en universel vækst-lette effekt på landbrugsplanter, der ikke er begrænset til visse arter. Denne idé blev undersøgt ved hjælp Have Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis) og Mescluns (Lepidium sativum).
Den molekylære basis for dette fænomen blev delvist afklaret af tubulin farvning forsøgene 9-11, men der er behov for yderligere undersøgelser til praktisk brug. Præcis magnetisk program kan være begrænset i fugtige miljøer grund erosion af selve magneten. De magnetiske felter fysisk styrke væksten af landbrugsplanter. Imidlertid this beviser ikke, at ernæringsmæssige indhold øger også. bør gennemføres yderligere analyse af de kemiske indhold af planterne for at afgøre, om brugen af magnetfelter har en effekt, der svarer til en gødning. Dette kunne også blive evalueret i miljøer, hvor næringsstoffer er tilvejebragt, samt næringsstof-null betingelser ved anvendelse af destilleret vand, der blev anvendt i den foreliggende undersøgelse. Ud over den kvalitet (type, intensitet, etc.) og mængden af anvendte magneter, kan omkostningerne være et andet problem komplicerende sådanne ansøgninger. Det kan være dyrt at anvende mange magneter gennem en hel afgrøde felt.
Vores resultater tyder på, at statisk magnetfelt ansøgning accelererer spiring sats og initial vækst af flere dyrkede plantearter. Disse resultater viser, at et statisk magnetfelt har en signifikant effekt på plantevækst, især spiring 6 og rodvækst 7 af planter.Tidligere undersøgelser har antydet, at maksimale spiringshastigheder var 20% højere, når frekvensen af det magnetiske felt var ca. 10 Hz 5-6. Under kun 4 d af anvendelsen af et magnetfelt, stilken og rod længde øges. Gruppen underkastes et magnetfelt behandling (n = 10) viste en 1,4 gange højere vækst end gjorde kontrolgruppen (n = 11) i alt 8 d (p <0,0005). Denne sats var 20% højere end det, der findes i tidligere undersøgelser, der brugte en pulserende magnetfelt 6-9.
På baggrund af disse resultater, bør genekspression og regulering også undersøges i fremtidige eksperimenter til belysning af de potentielle mekanismer bag de observerede reaktioner på magnetfelter 10. Vores resultater tyder på, at anvendelsen af et magnetfelt kunne øge afgrøde vækst, som potentielt kunne bidrage til at løse mad og fattigdom i hele verden. Endvidere kan anvendelsen af et magnetfelt være nyttigt atreducere brugen af kunstgødning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Static magnets | JIM | 2000Gauss | |
| 2% horse serum/1% bovine serum albumin/0.1% Triton X-100 | Sigma-Aldrich | Merged with 55514 | Blocking buffer |
| Primary antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc-8035 | a-Tubulin |
| Secondary antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc-2010 | FITC-conjugated anti-mouse IgG |
| time lapse photographic techniques | Manually controlled | ISO value 400 & aperture F 3.2 | |
| Sony Vegas Pro 13.0 | Sony |
References
- Martin, F. W. In vitro measurement of pollen tube growth inhibition. Plant Physiol. 49, 924-925 (1972).
- Pfahler, P. L. In vitro germination characteristics of maize pollen to detect biological activity of environmental pollutants. Environ Health Perspect. 37, 125-132 (1981).
- Yao, Z., Tan, X., Du, H., Luo, B., Liu, Z. A high-current microwave ion source with permanent magnet and its beam emittance measurement. Rev Sci Instrum. 79, 073304 (2008).
- Hendrickson, C. L., Drader, J. J., Laude, D. A., Guan, S., Marshall, A. G. Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry in a 20 T resistive magnet. Rapid Commun Mass Spectrom. 10, 1829-1832 (1996).
- Namba, K., Sasao, A., Shibusawa, S. EFFECT OF MAGNETIC FIELD ON GERMINATION AND PLANT GROWTH. Acta Hort. 399, 143-148 (1995).
- Hirota, N., Nakagawa, J., Kitazawa, K. Effects of a magnetic field on the germination of plants. Journals of Applied Physics. 85, 5717-5719 (1999).
- Penuelas, J., Llusia, J., Martinez, B., Fontcuberta, J. Diamagnetic Susceptibility and Root Growth Responses to Magnetic Fields in Lens culinaris, Glycine soja, and Triticum aestivum. Electromagnetic Biology and Medicine. 23, 97-112 (2004).
- Carbonell, M. V., Martinez, E., Amaya, J. M. Stimulation of germination in rice (Oryza Sativa L.) by a static magnetic field. Electro- and Magnetobiology. 19, 121-128 (2000).
- Oakley, R. V., Wang, Y. S., Ramakrishna, W., Harding, S. A., Tsai, C. J. Differential expansion and expression of alpha- and beta-tubulin gene families in Populus. Plant Physiol. 145, 961-973 (2007).
- Hoson, T., Matsumoto, S., Soga, K., Wakabayashi, K. Cortical microtubules are responsible for gravity resistance in plants. Plant Signal Behav. 5, 752-754 (2010).
- Kim, S., Im, W. Static magnetic fields inhibit proliferation and disperse subcellular localization of gamma complex protein3 in cultured C2C12 myoblast cells. Cell Biochem Biophys. 57, 1-8 (2010).
- Benjamini, Y. Opening the Box of a Boxplot. The American Statistician. 42, 257-262 (1988).
