Abstract
Elektroniske enheter og høyspente ledninger indusere magnetiske felt. Et magnetfelt fra 1,300-2,500 Gauss (0,2 Tesla) ble brukt til petriskåler som inneholder frø fra Garden Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), og Mescluns (Lepidium sativum ). Vi benyttet magneter under kultur parabolen. I løpet av 4 dager med anvendelse, observerte vi at stammen og roten lengde økes. Gruppen underkastet magnetfeltet behandling (n = 10) viste en 1,4 ganger raskere vekstrate sammenlignet med kontrollgruppen (n = 11) i totalt 8 dager (p <0,0005). Denne raten er 20% høyere enn det som er rapportert i tidligere studier. De tubulin komplekse linjene ikke har forbindelsespunkter, men tilkoblingspunkter skje ved anvendelse av magneter. Dette viser komplett forskjell fra kontrollen, noe som innebærer unormal ordninger. Imidlertid gjenstår det eksakte årsaken uklar. disse results av vekstøkning av å anvende magneter tyder på at det er mulig å forbedre veksten, øke produktiviteten, eller kontrollere hastigheten av spiring av planter ved anvendelse av statiske magnetfelter. Dessuten kan magnetfelt forårsake fysiologiske endringer i planteceller og kan indusere vekst. Derfor kan stimulering med et magnetfelt som har mulige effekter som er lik de av kunstgjødsel, noe som betyr at bruk av gjødsel kan unngås.
Introduction
Spiring er veksten av en plante som resulterer i dannelsen av en frøplante. Under visse forhold, begynner frøspiring og embryonale vev fortsette veksten. Det begynner med fuktighet til frøet for å aktivere enzymer for spiring. Frø kan bli indusert til å spire in vitro (i en petriskål eller prøverør) 1,2.
Statiske magnetfelter er spesielle krefter som forårsaker bevegelser av molekyler med ioniske ladningene ved hjelp av Lorentz-kraften 3,4. Lorentz-kraft blir dannet når en ioniserte eller ladede objektet beveger seg i henhold til et magnetisk felt. Hvert materiale er utformet med atomer som er sammensatt av elektroner og protoner. Når magnetiske felt blir til stede, enten det er statisk eller vekslende, det påvirker bevegelsen av ladet materiale. Dette gjelder også for planter og vannmolekyler, noe som påvirker den intracellulære molekylet tilstand. I en tidligere studie ble elektromagnetiske spoler bruktå generere pulserende magnetfelt, og 'Komatsuna' anlegg ble valgt som forsøks 5. I den foreliggende undersøkelse, magnet generert statisk magnetfelt ble benyttet for å gi en tilsvarende, men forskjellige effekter som en utvidelse studie av Lorentz kraft.
Frekvensen av det magnetiske felt, snarere enn dens polaritet, er en avgjørende faktor for anleggs spiring. Tidligere studier har antydet at maksimal spiring ratene var 20% høyere enn kontrollen når frekvensen av det magnetiske felt var ca. 10 Hz. Da felt ble fjernet på en retrograd måte, ble veksten svekket 5. Statiske magnetfelt har en betydelig effekt på første veksten 6-8, primært på spiring 6 og rotvekst 7.
I den foreliggende undersøkelse har vi brukt statiske magneter for å undersøke muligheten for å regulere veksten av landbruksplanter ved hjelp av magnetiske felter. Spesielt vi forsøkte å determine om visse vilkår av magnetfelt søknad kan øke vekstratene til høyere nivåer enn de som er nevnt i litteraturen. Videre, hvis den innledende spiring av planter med hell kan økes ved hjelp av et magnetisk felt, ved bruk av kunstgjødsel kan unngås.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Grunninnstillinger
- Landbruksplantearter
- Bruk Garden Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), og Mescluns (Lepidium sativum) frø.
MERK: Impatiens balsamina (Hage Balsam eller Rose Balsam) er en art innfødt til India; noen få medlemmer er også plassert i Myanmar. Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis eller komatsuna) er en variant av samme art som vanlig nepe. Matkarse (Lepidium sativum) er en type urt som taksonomisk relatert til brønnkarse og sennep. De har lignende smaker og duft, for de er kommersielt utnyttet 5,7.
- Bruk Garden Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), og Mescluns (Lepidium sativum) frø.
- Plant kulturer
- Culture Garden Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), og Mescluns (Lepidium sativum) frø i en 100 mm diameter (100 pi) petriskål. Sørg for at en plate inneholder bare én type arter.
- For dyrkningsforhold, plassere frøene på en cellulose håndkle. Senk håndkle og frø i trippel destillert vann. Mål og bekrefter at inne lab RT er 18-25 ° C, med fuktighet varierer 65-75% (sjekk avsnitt 3.1.2).
- For antall frø, kultur 10 ± 1 frø fra Garden Balsam, 50 ± 10 frø av Mizuna, 330 ± 20 frø av Komatsuna, og 380 ± 20 frø av Mescluns. Bruk identiske forhold målt som 18-25 ° C, med fuktighet varierer 65-75% (sjekk avsnitt 2.1.1).
NOTE: Alle eksperimenter ble utført på innendørs forhold med regulert fuktighet og temperaturområde i laboratoriet. Fuktigheten og temperaturen var ikke statisk, men forutsatt at identiske betingelser for magnet-behandlede gruppen og kontroll.
2. Culture of Fire landbruksplanter
- Eksperimentell prosedyre
- Følg avsnitt 1.2.3) for arter av planter og dyrkningsforhold i kontroll og magnet brukes gruppe.
- Påfør tre magneter av 1750 ± 350 Gauss (10000 Gauss = en Tesla) på bunnen av de 100 pi retter for Garden Balsam. Under påføringen, sørge for at de tre magneter er ikke i direkte kontakt med frøene, og er atskilt av plast bunnen av petriskålen. Den direkte avstanden mellom frø og magneter bør være 2-4 mm. Påfør magneter for 168 timer (7 dager) for fire landbruksplanter.
- Etter alle trinn identisk i 2.1.2), påfør to magneter, en (mot N side oppover) på toppen og andre magnet (mot S side oppover) på bunnen av hagen Balsam kultur plate.
MERK: Polene brukes annerledes i Garden Balsam. Imidlertid er stangen retningen ikke betraktet som en viktig faktor i denne studien etter vekst modifikasjoner, som alle miljøer er identiske med unntak av retningenav den magnetiske fluks. Hensikten med N og S pol søknad om hage Balsam var å se den praktiske muligheten i å bruke det i felt, hvor polet orientering kan være vanskelig å administrere.
3. Tubulin Farging av Hage Balsam
- Magnet Søknader med regulert lys tilstand
- Sett to magneter (N-pol vendt opp) nederst på 100 mm skål i 48 timer, ved bruk av betingelsene i trinn 1.2.2.
NB: For modifisering av lys, ble kulturskåler plassert på en plast hylle i inkubatoren. Inkubator ble brukt for oppfanging av lys og opprettholde temperaturen ved 25 ° C i 48 timer i mørke omgivelser. Til slutt, denne tilstanden ble ikke brukt i dette forsøk på grunn av høye variasjoner i vekst lengde.
- Sett to magneter (N-pol vendt opp) nederst på 100 mm skål i 48 timer, ved bruk av betingelsene i trinn 1.2.2.
- Plant Farging
- Fest hele Impatiens SPP dobbel blomst plante, (inkludert stilk og røtter) dyrket på samme betingelser med trinn 3.1.2) i 4% paraformaldehyde og 0,1 Mfosfatbuffer (pH 7,4) i 15 min.
- Fjern det impatiens prøven og dyppe i 2 timer i blokkeringsbuffer (2% hesteserum / 1% bovint serumalbumin / 0,1% Triton X-100 i PBS, pH 7,5). Vask impatiens prøven ved å neddykke med PBS i 15 min.
- For dobbelt immunofarging, inkubere prøven med primær antistoff, anti-alfa-tubulin (1: 1000), O / N ved 4 ° C.
- Ta prøven og fordype prøvene en gang med PBS i 10 min å vaske. Bruk FITC-konjugert anti-mus IgG (1: 400) som det sekundære antistoff og inkuberes i 2 timer ved 25 ° C.
- Fordyp prøven i PBS og dekkglass hele prøven i bunnen av 24 godt plate. Skaff bilder ved hjelp av en konvensjonell fluorescens mikroskop for å observere tubulin orientering (λ = 550 nm, forstørret til 100X, 200X og 400X).
MERK: I dette tilfellet ble magneten behandlede gruppen (n = 10) og kontroller (n = 11) bekreftet for Hage Balsam (Impatiens balsamina) bare vokst i ikke-mørke forhold.
4. datainnsamlingsmetoder
- Time-lapse Creation of Four Agricultural Plant Growth
- Fotografere anlegget på 10 min intervaller, ved å sette lukkeren til auto (dette kan gjøres i en hvilken som helst digitalt kamera). Sett blenderen til F 3,2 og ISO-verdien til 400.
- Samle 700-900 bilder i 7-10 dager. Koble kameraet med elektriske ledninger siden batteriet kan være utladet.
- Dra bildene ved å klikke og slippe hvert bilde kronologisk under streaming tråd med filmskaping programvare (se materialer og utstyr tabell). Sett den på en streaming linje i like varighet på 0,045 til 0,05 sek for hver til en film totalt 30-40 sek. Sjekk at det ikke er noen mørke hullene med å velge hvert bilde i en kronologisk rekkefølge.
- Etter trinn 4.1.3, klikk play-knappen i programvaren for å sikre den kompilerte-film i en 30-40 sek time-lapse video lysbilde og klikk gjengi og lagre til mpeg eller avi format. For størrelse markers bruker kanadiske Quarter, en amerikansk Penny, og en centimeter linjal på siden av bildet.
- Utfør t-test og boksplott for statistisk analyse 11,12.
MERK: Grupper på fem-nummer sammendrag ble brukt til å beregne den nedre grense (L) verdi som Q1 - [1,5 × (Q3 - Q1)] og høyere grense (H) verdi som Q3 + [1,5 × (Q3 - Q1) ]. Denne tilnærmingen ble innlemmet i trinn 1.2.2 for lengde datainnsamling 11. L og H-verdier viser området 99% av T-distribusjon tomter, noe som betyr at datapunktene observert utenfor dette området kan betraktes som uteliggere. Boksplott og Student t-test ble brukt til å analysere forskjeller i høyder av frøplanter 12.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tubulin-farging viste dispergert eller tynnet strukturer i planter dyrket i nærvær av magneten i forhold til kontroll (figur 2). Videre 7 dagers time-lapse studier med landbruket planter inkludert Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis) og Mescluns (Lepidium sativum) indikerte at en magnet avledet statisk magnetfelt øker første veksten av disse plantene (figur 3).
Disse resultatene tyder på at gruppen utsatt for et magnetisk felt hadde en merkbar vekst endring (Figur 1). Planter dyrket i mørke omgivelser viste ikke noen forskjell, noe som tyder på at bare lyset eksisterende tilstand var aktuelt i en 7 dagers time-lapse eksperiment. Tre representative landbruksplanter ble brukt i denne studien, men mer planter kunne ha vært brukt. Avlinger og andre planter kan bli undersøkt ved hjelp avden samme protokoll. I tidligere studier, øket veksthastighet med 20%, mens de foreliggende resultatene viste en 1,4-gangers økning, noe som er 40%. Således anvendelse av en magnet med statisk magnetisk felt var mer effektiv enn anvendelsen av vekslende magnetiske pulser.
Bestemme effekten av et magnetisk felt kan være komplisert fordi noen molekylstruktur med elektrisk ladning kan påvirkes 3,4. Det statiske magnetfelt som syntes å påvirke den initiale vekst av hage balsam i en dyrket cellulose tårn vev. Verdien var statistisk signifikant og var ca. 1,4 ganger veksten av kontrollen. Tubulin er essensielt for å opprettholde anleggsstrukturen under celleforlengelse og vekst 9.
Figur 1. Vekst av Hage Balsam. (A) Veksten i hagen Balsam behandlet med et statisk magnetfelt under mørke forhold var marginal; imidlertid plantene vokste fortere når de utsettes for lys (den eneste representativt bilde vist). (B) Når det utsettes for lys, på dag 3, er høydeforskjellen var statistisk signifikant (p <0,01, tosidig t-test). (C) Hver enkelt plante høyde var høyere før dag 7 (**: øvre grense for standard feil for måling). Mørke forhold induserte ikke noen forskjeller, noe som indikerer at effekten av det magnetiske feltet kan være assosiert med hormoner. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Tubulin farging av Hage Balsam ogøkning i veksthastigheten for Garden Balsam etter påføring av et magnetisk felt. (A) Hage Balsam viste en spredt fordeling av tubulin struktur når et magnetisk felt ble påført. Dette funnet indikerer at vekst arrestere proteinstrukturer som tubulin (og muligens aktin) påvirkes av statiske magnetiske felt. (B) Den gjennomsnittlige veksten var 1,4 ganger høyere enn for kontrollen, og gjennomsnittshøyden var høyere i gruppen behandlet med magnetfeltet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Et magnetfelt muliggjort veksten av Mescluns (Lepidium sativum, foran) og Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis). Frøet supsuppleres petriskål ble behandlet med et magnetfelt på 1750 ± 350 Gauss og observert i 7 dager med en tidsintervall intervall på 10 min. Time-lapse video ble kuttet til 15 fragmenter av 11 timer hver. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Supplerende Video 1: Vekst timelapse fra Garden Balsam (Impatiens balsamina) A Garden Balsam (Impatiens balsamina) frø supplert petriskål ble behandlet med et magnetisk felt fra 1750 ± 350 Gauss og deretter observert i 7 dager med en time-lapse intervall på 10. min. Videoen ble omorganisert til en 30 min film. Klikk her for å se denne videoen. (Høyreklikk for å laste ned.)
Tilleggs Video. 2: Sammenligning av veksten av 3 planter dyrkes i tre eksemplarer Mizuna (. Brassica rapa Var japonica), Komatsuna (. Brassica rapa Var perviridis), og Mesclun (Lepidium sativum) frø er vist i en diameter på 100 mm (100 pi ) Petriskål. Under identiske forhold til de av Hage Balsam, ble de tre artene vurderes separat, som avslørte at magneten effekt er bredt observert i jordbruksplanter. Klikk her for å se denne videoen. (Høyreklikk for å laste ned.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Under alle forhold, må magnetene påføres under petriskål. Denne studien undersøkte påvirkning av magnetiske felt på veksten av frø for flere landbruk arter, med fokus på hage Balsam som en representant for jordbruksplanter. For eksempel ble tubulin farging utført på hagen Balsam for å evaluere molekylnivå forandringer i rot og stamme skjelettmikrostrukturer som antyder innflytelse av det magnetiske felt i lengde proliferasjon. Både N og S polene på magneten ble brukt i et langsiktig (7-10 d) oppfølgingsstudie ved hjelp Hage Balsam. Tre andre arter, Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), og Mesclun (Lepidium sativum), ble behandlet med N-polet orienterte magneter. Dette ble for ytterligere å verifisere at det statiske magnetfelt i seg selv, ikke polene, var en viktig faktor i innledende vekstøkning. I tillegg gir økning av antall arter støttebredere anvendelse av magnet-avledet første veksten tilrettelegging i jordbruksplanter.
Mange faktorer, som for eksempel ernæring, fuktighet, temperatur og lys, kan påvirke hastigheten av plantevekst tre. Hver av disse ble holdt konstant på tvers av behandlinger. Kosttilskudd ble ekskludert av bare dyrking i trippel-destillert vann. Vi først kontrollert for lys-eksperimenter ble opprinnelig utført på Hage Balsam i en inkubator under mørke forhold. Vekstmønstre i mørke omgivelser skilte seg fra de i lys miljø. Derfor gjennomførte vi senere eksperimenter etter lysforhold (med identiske mengder lys i alle eksperimentelle grupper). For tubulin farging, ble Garden Balsam dyrket under kontrollerte forhold (trippeldestillert vann, temperatur 18-25 ° C, fuktighet 65% -75%). Andre eksperimenter av 7-10-d oppfølgingsstudie hadde identiske "null betingelser: ingen ernæring" forhold til de som brukes med GaGården Balsam (trippel destillert vann, temperatur 18-25 ° C, fuktighet 65% -75%). Med hensyn til magnet søknad, anvendte vi en strategi hvori vi kvantitativt økt antall arter, og varigheten av magneten søknad for ytterligere å undersøke om det magnetiske felt har en universell vekst-tilrettelegge effekt på landbruksplanter som ikke er begrenset til visse arter. Denne ideen ble undersøkt ved hjelp Hage Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis) og Mescluns (Lepidium sativum).
Den molekylære grunnlaget for dette fenomenet ble delvis avklart av tubulin flekker eksperimenter 9-11, men ytterligere undersøkelser er nødvendig for praktisk bruk. Nøyaktig magnetisk applikasjon kan være begrenset i fuktige miljøer på grunn av erosjon av magneten selv. De magnetiske felter fysisk styrke veksten av landbruksplanter. Men this beviser ikke at næringsinnholdet øker også. bør gjennomføres ytterligere analyse av de kjemiske innholdet i plantene for å bestemme hvorvidt bruken av magnetiske felt har en virkning lik den av et gjødningsmiddel. Dette kan også bli evaluert i miljøer hvor næringsstoffene er anordnet, så vel som nærings null betingelser ved bruk av destillert vann som ble anvendt i denne studien. I tillegg til kvaliteten (type, intensitet, etc.) og mengde av anvendte magneter, kan kostnadene være et annet problem kompliserer slike anvendelser. Det kan være dyrt å bruke mange magneter gjennom en hel avling felt.
Våre funn tyder på at statisk magnetfelt søknad akselererer spiring og innledende vekst av flere dyrkede plantearter. Disse resultatene viser at et statisk magnetfelt som har en betydelig effekt på plantevekst, spesielt spiring 6 og rotvekst 7 av planter.Tidligere studier har antydet at maksimal spiring ratene var 20% høyere når frekvensen av det magnetiske felt var ca. 10 Hz 5-6. I løpet av bare 4 d av påføring av et magnetisk felt, økte stilk og rot lengde. Gruppen utsettes for et magnetisk felt behandling (n = 10) viste en 1,4-ganger høyere veksttakt enn gjorde kontrollgruppen (n = 11) i et totalt 8 d (p <0,0005). Denne hastigheten var 20% høyere enn det man finner i tidligere studier som benyttet en pulset magnetfelt 6-9.
Gitt disse funnene, bør genekspresjon og regulering også bli studert i fremtidige eksperimenter for avklaring av mulige mekanismer bak de observerte responser for magnetiske felt 10. Våre funn tyder på at bruk av et magnetisk felt kan øke beskjære vekst, noe som potensielt kan bidra til å løse mat og fattigdomsproblematikk over hele verden. Videre kan anvendelsen av et magnetisk felt være nyttig åredusere bruken av kunstgjødsel.
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).
