Abstract
Elektronische apparaten en hoogspanningsdraden induceren magnetische velden. Een magnetisch veld van 1,300-2,500 Gauss (0,2 Tesla) werd aangebracht op platen met zaden van Garden Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), en Mescluns (Lepidium sativum ). We pasten magneten onder de cultuur schotel. Gedurende de 4 dagen na aanvraag zagen we dat de lengte stengel en wortel toe. De groep onderworpen magneetveld behandeling (n = 10) vertoonden een 1,4 maal snellere groei in vergelijking met de controlegroep (n = 11) in een totaal van 8 dagen (p <0,0005). Dit is 20% hoger dan in eerdere studies. De tubuline complex lijnen had geen aansluitpunten, maar verbindingspunten optreden van de toepassing van magneten. Dit toont volledig verschil met de controle, die afwijkende regelingen betekent. Echter, de exacte oorzaak is nog onduidelijk. deze resULT van groeiverbetering toepassing van magneten suggereren dat het mogelijk is om de groei te verbeteren, de productiviteit te verhogen, of de snelheid van de ontkieming van controleplanten door toepassing van statische magnetische velden. Ook kunnen magnetische velden fysiologische veranderingen in plantencellen veroorzaken en groei induceren. Daarom stimulatie met een magnetisch veld kan mogelijke effecten die vergelijkbaar zijn met die van kunstmest, waardoor het gebruik van kunstmest kan worden vermeden hebben.
Introduction
Kieming de groei van een plant die resulteert in de vorming van de zaailing 1. Onder bepaalde voorwaarden, begint ontkiemen van de zaden en de embryonale weefsels te hervatten groei. Het begint met hydratatie het zaad om enzymen te activeren voor kieming. Zaden kunnen worden geïnduceerd om te ontkiemen in vitro (in een petrischaal of reageerbuis) 1,2.
Statische magnetische velden zijn speciale krachten die de bewegingen van moleculen met Ionische kosten door middel van de Lorentz kracht 3,4 veroorzaken. Lorentz kracht wordt gevormd wanneer een geïoniseerd of geladen voorwerp beweegt onder een magnetisch veld. Elk materiaal wordt gevormd met atomen die bestaan uit elektronen en protonen. Wanneer magnetische velden aanwezig zijn, of het statisch of afwisselend, beïnvloedt de beweging van geladen materiaal. Dit geldt ook voor planten en watermoleculen, die de intracellulaire molecule aandoening komt. In een eerdere studie werden gebruikt elektromagnetische spoelennaar gepulste magnetische velden genereren, en 'Komatsuna' planten werden gekozen als de proefpersonen 5. In deze studie magneet gegenereerde statische magnetische velden gebruikt om een vergelijkbare, maar andere effecten als uitbreiding studie van Lorentz kracht geven.
De frequentie van het magnetische veld, in plaats van de polariteit is een cruciale factor voor plantaardige ontkieming. Eerdere studies hebben gesuggereerd dat maximale ontkiemingspercentages waren 20% hoger dan de controle als de frequentie van het magnetische veld ongeveer 10 Hz. Wanneer het veld in een retrograde wijze werd verwijderd, werd de groeisnelheid verminderd 5. Statische magnetische velden hebben een aanzienlijke invloed op de initiële groei 6-8, vooral op kieming 6 en 7 wortelgroei.
In de huidige studie, gebruikten we statische magneten aan de mogelijkheid die de groei van landbouwgewassen met magnetische velden onderzocht. Wij zijn vooral gericht op determine of bepaalde voorwaarden van toepassing magneetveld de groei tot hogere niveaus dan die in de literatuur genoemd kunnen verhogen. Bovendien als de eerste ontkiemen van planten met succes kan worden verhoogd door toepassing van een magnetisch veld, het gebruik van kunstmest kan worden vermeden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Initial Settings
- Landbouwgewassen Species
- Gebruik Garden Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), en Mescluns (Lepidium sativum) zaden.
LET OP: Impatiens balsamina (Garden Balsam of Rose Balsam) is een soort afkomstig uit India; enkele leden bevinden zich ook in Myanmar. Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis of Komatsuna) is een variant van dezelfde soort als de gemeenschappelijke raap. Tuinkers (Lepidium sativum) is een plantensoort die taxonomisch samenhangt met waterkers en mosterd. Zij vergelijkbare smaak en geur, waarvoor zij commercieel worden gebruikt 5,7.
- Gebruik Garden Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), en Mescluns (Lepidium sativum) zaden.
- Plant Cultures
- Culture Garden Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), en Mescluns (Lepidium sativum) zaden in een 100 mm diameter (100 pi) petrischaal. Zorgen dat één plaat bevat slechts één diersoort.
- Voor kweekomstandigheden, plaats de zaden op een cellulose handdoek. Dompel de handdoek en zaden in triple gedestilleerd water. Meet en bevestigen dat het overdekte lab RT is 18-25 ° C, een relatieve vochtigheid van 65-75% (zie hiervoor paragraaf 3.1.2).
- Voor aantal zaden, cultuur 10 ± 1 zaden van Garden Balsam, 50 ± 10 zaden van Mizuna, 330 ± 20 zaden van Komatsuna, en 380 ± 20 zaden van Mescluns. Gebruik identieke omstandigheden gemeten als 18-25 ° C, een relatieve vochtigheid van 65-75% (zie hiervoor paragraaf 2.1.1).
LET OP: Alle experimenten werden uitgevoerd op binnenklimaat met de gereguleerde luchtvochtigheid en temperatuur in het lab. De vochtigheid en de temperatuur was niet statisch, maar op voorwaarde dat de identieke omstandigheden voor magneet behandelde groep en controle.
2. Cultuur van Four landbouwgewassen
- Experimentele procedure
- Volg punt 1.2.3) voor de soorten planten en de kweekomstandigheden in de controle en de magneet toegepaste groep.
- Toepassen drie magneten van 1750 ± 350 Gauss (10.000 Gauss = 1 Tesla) onder de 100 pi gerechten Garden Balsam. Tijdens het aanbrengen, zodat die drie magneten niet in direct contact met de zaden, en worden gescheiden door plastic bodem van de petrischaal. De directe afstand tussen de zaden en magneten moet 2-4 mm zijn. Toepassen magneet voor 168 h (7 dagen) vier landbouwgewassen.
- Naar aanleiding van alle stappen identiek in 2.1.2), van toepassing zijn twee magneten, een (op het N naar boven) aan de bovenkant en andere magneet (tegenover S naar boven) op de onderkant van Garden Balsam cultuur plaat.
LET OP: De palen worden anders in Garden Balsam toegepast. Echter de paal oriëntatie niet beschouwd als een belangrijke factor in dit onderzoek voor groei omzetting, aangezien alle omgevingen zijn identiek behalve de richtingvan de magnetische flux. Het doel van N en S pole aanvraag voor Garden Balsam was om zijn praktische mogelijkheden te zien in het gebruik ervan in velden, waar de paal oriëntatie moeilijk te beheren zou kunnen zijn.
3. Tubulin kleuring van Garden Balsam
- Magneet Toepassingen met Gereglementeerde Light Voorwaarde
- Plaats twee magneten (N pool naar boven) onderkant van de 100 mm plaat gedurende 48 uur, met behulp van omstandigheden in stap 1.2.2.
OPMERKING: Voor wijziging van het licht werden de cultuur gerechten op een kunststof plank in de incubator geplaatst. Incubator werd gebruikt voor het onderscheppen van licht en handhaven temperatuur op 25 ° C gedurende 48 uur in een donkere omgeving. Uiteindelijk werd deze voorwaarde niet gebruikt in dit experiment vanwege hoge variaties in lengtegroei.
- Plaats twee magneten (N pool naar boven) onderkant van de 100 mm plaat gedurende 48 uur, met behulp van omstandigheden in stap 1.2.2.
- Plant kleuring
- Bevestig de gehele impatiens SPP dubbele bloem plant, (met inbegrip van stam en wortels) zijn gekweekt op identieke omstandigheden met stap 3.1.2) in 4% paraformaldehyde en 0,1 Mfosfaatbuffer (pH 7,4) gedurende 15 min.
- Verwijder de impatiens monster en dompel 2 uur in blokkerende buffer (2% paardenserum / 1% runderserumalbumine / 0,1% Triton X-100 in PBS, pH 7,5). Was de impatiens monster door onderdompeling met PBS gedurende 15 minuten.
- Bij dubbele immunokleuring incuberen van het monster met primaire antilichaam, anti-alfa tubuline (1: 1000), O / N bij 4 ° C.
- Verwijder het monster en dompel de monsters eenmaal met PBS gedurende 10 minuten te wassen. Met FITC-geconjugeerd anti-muis IgG (1: 400) als het secundaire antilichaam en incubeer gedurende 2 uur bij 25 ° C.
- Dompel het monster in PBS en dekglas het gehele monster in de bodem van 24 wells plaat. Het verkrijgen van beelden met behulp van een conventionele fluorescentiemicroscoop om tubuline oriëntatie observeren (λ = 550 nm, vergroot tot 100X, 200X en 400X).
Opmerking: In dit geval is de magneet behandelde groep (n = 10) en controles (n = 11) werden bevestigd Garden Balsam (Impatiens balsamina) alleen gekweekt in niet-donker.
4. Data Collection Methoden
- Time-lapse creëren van groei Vier landbouwgewassen
- Fotograferen de fabriek in 10 min tussenpozen door sluiter automatisch (dit kan in elke digitale camera). Zet het diafragma op F 3.2 en de ISO-waarde tot 400.
- Verzamel 700-900 foto's voor 7-10 dagen. Sluit de camera met elektrische draden sinds batterij kan worden uitgeput.
- Sleep de foto's door te klikken op en neer te zetten elke foto in chronologische volgorde onder de streaming lijn met het maken van films software (zie materialen en apparatuur tabel). Zet het op een streaming lijn in gelijke looptijden van 0,045-,05 sec voor elke film in een totaal van 30-40 sec. Controleer zodat er geen donkere gaten met het selecteren van de elke foto in een chronologische volgorde.
- Na stap 4.1.3, klikt u op play-knop in de software om de gecompileerde-film in een 30-40 sec time-lapse video slide te waarborgen en klik te maken en op te slaan in .mpeg of .avi-formaat. Voor grootte markers Gebruik Canadian Quarter, een Amerikaanse Penny, en een centimeter liniaal op de zijkant van de foto.
- Voer t-test en boxplot voor statistische analyse 11,12.
OPMERKING: Groepen van vijf nummer samenvattingen werden gebruikt om de ondergrens (L) waarde Q1 berekenen - [1,5 × (Q3 - Q1)] en de bovengrens (H) waarde Q3 + [1,5 x (Q3 - Q1) ]. Deze aanpak werd opgenomen in stap 1.2.2 voor de lengte van gegevens verzamelen 11. De L- en H-waarden van de 99% oppervlak van de T-frequentie grafieken, waardoor de gegevenspunten buiten dit bereik waargenomen kan worden beschouwd uitbijters. Boxplots en Student's t-test werd gebruikt om de verschillen in de hoogte van de zaailingen 12 analyseren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tubuline kleuring toonde gedispergeerd of verdund structuren in planten gekweekt in de aanwezigheid van de magneet ten opzichte van de controlegroep (figuur 2). Bovendien, 7 dagen time-lapse studies met landbouwgewassen zoals Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis) en Mescluns (Lepidium sativum) gaf aan dat een magneet afgeleide statisch magnetisch veld verhoogt de initiële groei van deze planten (figuur 3).
Deze resultaten suggereren dat de groep blootgesteld aan een magnetisch veld heeft een opmerkelijke groei verandering (figuur 1). Planten in donkere omgevingen maakte geen verschil laten zien, wat erop wijst dat alleen het licht bestaande toestand in een 7-daagse time-lapse experiment van toepassing was. Drie representatieve landbouwgewassen werden in dit onderzoek, maar meer planten gebruikt had kunnen worden. Gewassen en andere planten kunnen worden behandeld met behulphetzelfde protocol. In eerdere studies, de groei met 20% gestegen, terwijl de huidige resultaten toonden een 1,4-voudige toename, dat is 40%. Aldus toepassing van een magneet met een statisch magnetisch veld was effectiever dan de toepassing van wisselende magnetische pulsen.
Bepalen van het effect van een magnetisch veld kan gecompliceerd zijn omdat elke molecuulstructuur elektrische lading kan worden beïnvloed 3,4. Het statisch magnetisch veld bleek de initiële groeisnelheid tuin balsem beïnvloeden een gekweekte cellulose toren weefsel. De waarde was statistisch significant en ongeveer 1,4 maal de groei van de controle. Tubuline is van essentieel belang voor het behoud van plantopbouw tijdens celelongatie en groei 9.
Figuur 1. Groei van Garden Balsam. (A) De groei van Garden Balsam behandeld met een statisch magnetisch veld onder donkere omstandigheden is marginaal; De planten groeiden sneller bij blootstelling aan licht (de enige representatieve afbeelding weergegeven). (B) Bij blootstelling aan licht, op dag 3, het hoogteverschil was statistisch significant (p <0,01, tweezijdige t-test). (C) hoogte Elke individuele plant was hoger tot en met dag 7 (**: bovengrens van een standaardafwijking voor de meting). Donkere omstandigheden leverde geen verschillen te induceren, wat aangeeft dat de effecten van het magnetische veld kan worden geassocieerd met hormonen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2. Tubulin kleuring van Garden Balsam en detoename van de groeisnelheid van Garden Balsam na het aanbrengen van een magnetisch veld. (A) tuin Balsam vertoonde een gedispergeerde verdeling van tubuline structuur indien een magnetisch veld aangebracht. Deze bevinding geeft aan dat de groei arrestatie eiwitstructuren als tubuline (en eventueel actine) worden beïnvloed door statische magnetische velden. (B) De gemiddelde groei bedroeg 1,4 maal hoger dan die van de controle, en de gemiddelde hoogte was hoger in de groep behandeld met het magnetisch veld. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3. Een magnetisch veld vergemakkelijkt de groei van Mescluns (Lepidium sativum, voor) en Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis). Het zaad supvuld petrischaal werd behandeld met een magnetisch veld van 1750 ± 350 Gauss en 7 dagen geobserveerd met een time-lapse interval van 10 min. De time-lapse video werd tot 15 fragmenten van 11 uur elk te snijden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Aanvullende Video 1: Groei timelapse van Garden Balsam (Impatiens balsamina) Een Tuin Balsam (Impatiens balsamina) zaad aangevuld petrischaal werd behandeld met een magnetisch veld van 1750 ± 350 Gauss en wordt vervolgens gedurende 7 dagen met een time-lapse interval van 10. min. De video werd herschikt in een 30 minuten film. Klik hier om deze video te bekijken. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden.)
Aanvullende Video 2. Vergelijking van de groei van 3 planten in drievoud Mizuna (. Brassica rapa var japonica), Komatsuna (. Brassica rapa var perviridis) en Mesclun (Lepidium sativum) zaden worden in een diameter van 100 mm (100 pi ) petrischaal. Onder identieke omstandigheden aan die van Garden Balsam, werden de drie soorten afzonderlijk beoordeeld, waaruit bleek dat het effect van de magneet in grote lijnen wordt waargenomen in landbouwgewassen. Klik hier om deze video te bekijken. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In alle omstandigheden dient magneten worden toegepast onder de petrischaal. Deze studie onderzocht de invloed van magnetische velden op de groeisnelheid van de zaden voor een aantal landbouwgewassen, met de nadruk op de Tuin Balsam als vertegenwoordiger van landbouwgewassen. Zo werd tubuline kleuring uitgevoerd op Garden Balsam de veranderingen moleculair niveau wortel en stengel evalueren skelet microstructuren suggereert invloed van het magnetische veld proliferatie lengte. Zowel de N en S polen van de magneet zijn in een lange termijn (7-10 d) vervolgonderzoek behulp Garden Balsam toegepast. Drie andere soorten, Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), en Mesclun (Lepidium sativum), werden behandeld met N-pole-georiënteerde magneten. Dit om verder te verifiëren dat het statische magnetische veld zelf, niet de polen, een belangrijke factor in de initiële groeiverbetering. Bovendien verhogen het aantal soorten ondersteuntbredere toepasbaarheid van magneet afgeleide initiële groei faciliteren in landbouwgewassen.
Vele factoren, zoals voeding, vochtigheid, temperatuur en licht, kan invloed hebben op de snelheid van de groei van planten 3. Elk van deze werd constant over behandelingen gehouden. Voedingssupplement werd uitgesloten door slechts het kweken in triple-gedestilleerd water. We hebben eerst gecontroleerd voor light-experimenten werden aanvankelijk uitgevoerd op Garden Balsam in een incubator onder donkere omstandigheden. Groeipatronen in de donkere omgeving verschilden van die in het licht omgeving. Daarom voerden we latere experimenten onder lichte omstandigheden (met behulp van dezelfde hoeveelheid licht in alle experimentele groepen). Voor de tubuline kleuring, werd de Tuin Balsam gekweekt onder gecontroleerde omstandigheden (triple-gedestilleerd water, de temperatuur 18-25 ° C, luchtvochtigheid 65% -75%). Andere experimenten van de follow-up studie 7-10-d had identiek "null voorwaarden: geen voeding" voorwaarden die in combinatie met GArden Balsam (triple gedestilleerd water, de temperatuur 18-25 ° C, luchtvochtigheid 65% -75%). Met betrekking tot de magneet applicatie, gebruikten we een strategie waarin we kwantitatief toename van het aantal soorten en de duur van de magneet verzoek om verder te onderzoeken of magnetische velden hebben een universele-groei faciliteren effect op landbouwproducten planten die zich niet beperkt tot bepaalde soorten. Dit idee werd onderzocht met behulp van Garden Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis) en Mescluns (Lepidium sativum).
De moleculaire basis van dit fenomeen werd gedeeltelijk verduidelijkt door de tubuline kleuring experimenten 9-11, maar verder onderzoek nodig is voor praktisch gebruik. Precieze magnetische toepassing kan in een vochtige omgeving vanwege erosie van de magneet zelf beperkt. De magnetische velden fysiek vergroten de groei van landbouwgewassen. Echter, this bewijst niet dat voedingswaarde verhoogt ook. Verdere analyse van de chemische inhoud van de planten moeten worden uitgevoerd om te bepalen of het gebruik van magnetische velden een effect vergelijkbaar met dat van een meststof. Dit kan ook worden geëvalueerd in omgevingen waarin nutriënten worden geleverd, evenals de nutriënt-null omstandigheden met gedestilleerd water werden in de onderhavige studie. Naast de kwaliteit (soort, intensiteit, enz.) En de hoeveelheid toegepaste magneten, kunnen de kosten een probleem complicerende dergelijke toepassingen. Het kan duur zijn om een groot aantal magneten toe te passen in een hele veld gewas.
Onze bevindingen suggereren dat statisch magnetisch veld toepassing versnelt de kiemkracht en de initiële groei van een aantal gekweekte plantensoorten. Deze bevindingen tonen aan dat een statisch magnetisch veld heeft een significant effect op de groei van planten, met name de kiemkracht 6 en 7 wortelgroei van planten.Eerdere studies hebben gesuggereerd dat maximale ontkiemingspercentages waren 20% hoger wanneer de frequentie van het magnetische veld ongeveer 10 Hz 5-6. Slechts gedurende 4 d toepassing van een magnetisch veld, de lengte stengel en wortel toe. De groep onderworpen aan een magnetisch veld behandeling (n = 10) vertoonden een 1,4-maal hogere groei dan wel de controlegroep (n = 11) in totaal 8 d (p <0,0005). Dit bedroeg 20% hoger is dan bij eerdere studies die een gepulseerd magnetisch veld 6-9 gebruikt.
Gezien deze bevindingen moeten genexpressie en regulatie ook worden onderzocht in toekomstige experimenten om verduidelijking van de mogelijke mechanismen achter de waargenomen reacties op magnetische velden 10. Onze resultaten suggereren dat de toepassing van een magnetisch veld gewasgroei rate, die mogelijk zou kunnen helpen om voedsel en armoede problemen wereldwijd aan te pakken zou kunnen toenemen. Bovendien zou de toepassing van een magnetisch veld nuttigvermindering van het gebruik van kunstmest.
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).
