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Amélioration du taux de croissance initiale des plantes agricoles à l'aide de champs magnétiques statiques

doi: 10.3791/53967 Published: July 8, 2016

Abstract

Les appareils électroniques et les fils à haute tension induisent des champs magnétiques. Un champ magnétique de 1,300-2,500 Gauss (0,2 Tesla) a été appliqué à des boîtes de Petri contenant des graines de jardin Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), et Mescluns (Lepidium sativum ). Nous aimants appliqué dans la boîte de culture. Pendant les 4 jours d'application, nous avons observé que la tige et la racine de longueur augmentée. Le groupe soumis à un traitement de champ magnétique (n = 10) a montré une 1,4 fois plus rapide taux de croissance par rapport au groupe témoin (n = 11) dans un total de 8 jours (p <0,0005). Ce taux est de 20% plus élevé que celui rapporté dans les études précédentes. Les lignes complexes tubuline n'ont des points de connexion, mais les points de connexion se produisent lors de l'application d'aimants. Cela montre la différence complète de la commande, ce qui signifie des dispositions anormales. Cependant, la cause exacte reste incertaine. Ces resULTS d'amélioration de l'application d'aimants de croissance suggèrent qu'il est possible d'augmenter le taux de croissance, d'augmenter la productivité, ou de contrôler la vitesse de germination des plantes en appliquant des champs magnétiques statiques. En outre, les champs magnétiques peuvent provoquer des changements physiologiques dans les cellules végétales et peuvent induire la croissance. Par conséquent, une stimulation par un champ magnétique, peut avoir des effets possibles qui sont semblables à celles des engrais chimiques, ce qui signifie que l'utilisation d'engrais peut être évitée.

Introduction

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La germination est la croissance d'une plante qui aboutit à la formation de la plantule 1. Sous certaines conditions, la germination des graines commence et les tissus embryonnaires reprendre la croissance. Elle commence par l'hydratation de la semence afin d'activer les enzymes pour la germination. Les graines peuvent être amenées à germer in vitro (dans une boîte de Pétri ou tube à essai) 1,2.

Les champs magnétiques statiques sont des forces spéciales qui provoquent des mouvements de molécules avec des charges ioniques par l' intermédiaire de la force de Lorentz 3,4. force de Lorentz est formé quand un ionisées ou chargées objet se déplace sous un champ magnétique. Chaque matériau est formé avec des atomes qui sont constituées d'électrons et de protons. Lorsque les champs magnétiques deviennent présents, que ce soit statique ou alternatif, il affecte le mouvement du matériau chargé. Cela vaut également pour les plantes et les molécules d'eau, ce qui affecte la condition molécule intracellulaire. Dans une précédente étude, bobines électromagnétiques ont été utiliséspour générer des champs magnétiques pulsés, et les plantes 'Komatsuna' ont été choisis comme les sujets 5. Dans la présente étude, aimant généré des champs magnétiques statiques ont été utilisés pour donner des effets similaires mais différents comme une étude d'expansion de la force de Lorentz.

La fréquence du champ magnétique, plutôt que sa polarité, est un facteur crucial pour la germination des plantes. Des études antérieures ont suggéré que les taux de germination maximales étaient de 20% plus élevé que le contrôle lorsque la fréquence du champ magnétique était d'environ 10 Hz. Lorsque le champ est éliminé d' une manière rétrograde, le taux de croissance a été altérée 5. Les champs magnétiques statiques ont un effet considérable sur le 6-8 de croissance initiale, principalement sur ​​la germination 6 et la croissance des racines 7.

Dans la présente étude, nous avons utilisé des aimants statiques pour examiner la possibilité de réguler la croissance des plantes agricoles en utilisant des champs magnétiques. En particulier, nous avons cherché à déterminer si certaines conditions d'application de champ magnétique pourrait augmenter les taux de croissance à des niveaux plus élevés que ceux qui sont mentionnés dans la littérature. En outre, si la germination initiale des plantes peut être augmentée avec succès en utilisant un champ magnétique, l'utilisation d'engrais chimiques peut être évitée.

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Protocol

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1. Réglages initiaux

  1. Espèces de plantes agricoles
    1. Utiliser Garden Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), et Mescluns (Lepidium sativum).
      NOTE: Impatiens balsamina (jardin Balsam ou Rose Balsam) est une espèce indigène à l' Inde; quelques membres sont également situés au Myanmar. Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis ou komatsuna) est une variante de la même espèce que le navet commun. Cress Garden (Lepidium sativum) est un type de plante qui est taxonomiquement liée à cresson et la moutarde. Ils ont des saveurs et des parfums similaires, pour lesquels ils sont utilisés dans le commerce de 5,7.
  2. Cultures végétales
    1. Culture Jardin Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), et Mescluns (Lepidium sativum) graines dans un diamètre de 100 mm (100 pi) boîte de Pétri. Assurez-vous que une plaque ne contient qu'un seul type d'espèce.
    2. Pour des conditions de culture, placer les graines sur une serviette en cellulose. Immergez la serviette et les graines dans de l'eau distillée triple. Mesurer et confirmer que le laboratoire intérieur RT est 18-25 ° C, avec une humidité allant de 65-75% (s'il vous plaît consulter la section 3.1.2).
    3. Pour nombre de graines, de la culture 10 ± 1 graines de jardin Balsam, 50 ± 10 graines de Mizuna, 330 ± 20 graines de Komatsuna, et 380 ± 20 graines de Mescluns. Utiliser des conditions identiques mesurées comme 18-25 ° C, avec une humidité allant de 65-75% (s'il vous plaît consulter la section 2.1.1).
      NOTE: Toutes les expériences ont été réalisées sur des conditions intérieures avec l'humidité régulée et plage de température dans le laboratoire. L'humidité et la température était pas statique, mais à condition que les conditions identiques pour aimant traité et le groupe témoin.

2. Culture des Quatre plantes agricoles

  1. Procédure expérimentale
    1. Suivez la section 1.2.3) pour les espèces de conditions de plantes et de la culture dans le contrôle et le groupe appliqué à aimant.
    2. Appliquer trois aimants de 1.750 ± 350 Gauss (10.000 Gauss = 1 Tesla) au fond des boîtes de 100 pi pour Garden Balsam. Lors de l'application, en sorte que les trois aimants ne sont pas en contact direct avec les semences, et sont séparés par le fond en plastique de la boîte de Pétri. La distance directe entre les semences et les aimants doit être de 2-4 mm. Appliquer des aimants pour 168 heures (7 jours) pour quatre plantes agricoles.
    3. Après toutes les étapes identiques à 2.1.2), appliquer deux aimants, un (N côté tourné vers le haut) sur le côté de S supérieur et autre aimant (face vers le haut) sur le fond du jardin Balsam plaque de culture.
      NOTE: Les pôles sont appliqués différemment dans le jardin Balsam. Cependant, l'orientation polaire est pas considéré comme un facteur crucial dans cette étude pour des altérations de la croissance, comme tous les environnements sont identiques, sauf pour la directiondu flux magnétique. Le but de N et S application pole pour Garden Balsam était de voir sa capacité pratique à l'utiliser dans les champs, où l'orientation pôle pourrait être difficile à gérer.

3. tubuline Coloration de jardin Balsam

  1. Magnet Applications avec Condition Lumière Réglementé
    1. Placez deux aimants (N pôles orientés vers le haut) en bas de la plaque de 100 mm pendant 48 heures, à l'aide de conditions à l'étape 1.2.2.
      NOTE: Pour la modification de la lumière, les boîtes de culture ont été placés sur une étagère en plastique dans l'incubateur. Incubateur a été utilisé pour l'interception de la lumière et de maintien en température à 25 ° C pendant 48 heures dans des environnements sombres. Finalement, cette condition n'a pas été utilisé dans cette expérience en raison de fortes variations de longueur de la croissance.
  2. Coloration des plantes
    1. Fixer le impatiens entiers SPP fleur double plante, (y compris les tiges et les racines) cultivées dans des conditions identiques à l'étape 3.1.2) dans 4% de paraformaldehyde et 0,1 Mun tampon phosphate (pH 7,4) pendant 15 min.
    2. Retirer l'échantillon impatiens et immerge pendant 2 heures dans un tampon de blocage (2% de sérum de cheval / 1% de sérumalbumine bovine / 0,1% de Triton X-100 dans du PBS, pH 7,5). Laver l'échantillon impatiens par immersion avec du PBS pendant 15 min.
    3. Pour une double immunocoloration, incuber l'échantillon avec un anticorps primaire, anti-alpha tubuline (1: 1000), O / N à 4 ° C.
    4. Retirer l'échantillon et immerger les échantillons une fois avec du PBS pendant 10 min pour se laver. L'utilisation conjuguée à FITC anti-souris IgG (1: 400) comme anticorps secondaire et on incube pendant 2 heures à 25 ° C.
    5. Immerger l'échantillon dans du PBS et couvrir glisser l'ensemble de l'échantillon dans le fond de plaque à 24 puits. Obtenir des images en utilisant un microscope à fluorescence conventionnelle pour observer l'orientation de la tubuline (λ = 550 nm, grossie à 100X, 200X et 400X).
      NOTE: Dans ce cas, le groupe d'aimants traités (n = 10) et les contrôles (n = 11) ont été confirmés pour Garden Balsam (Impatiens balsamina) seulement, cultivé dans des conditions non sombres.

    Méthodes 4. Collecte de données

    1. Time-lapse Création de croissance Quatre plantes agricoles
      1. Photographie de l'usine à intervalles de 10 min, en réglant l'obturateur pour auto (cela peut être fait dans un appareil photo numérique). Réglez l'ouverture à F 3.2 et la valeur ISO 400.
      2. Collecter 700-900 images pendant 7-10 jours. Branchez l'appareil photo avec des fils électriques depuis la batterie peut être déchargée.
      3. Faites glisser les images en cliquant et en laissant tomber chaque image chronologiquement sous la ligne de streaming avec le logiciel moviemaking (voir matériaux et table d'équipement). Mettez-le sur une ligne de streaming en durées égales de 0,045 à 0,05 s pour chaque en un total de film de 30-40 sec. Vérifiez afin qu'il n'y ait pas de lacunes sombres avec la sélection de la chaque image dans un ordre chronologique.
      4. Après l'étape 4.1.3, cliquez sur le bouton de lecture dans le logiciel pour assurer le-film compilé dans un time-lapse vidéo slide 30-40 sec et cliquez rendre et enregistrer sur .mpeg ou au format .avi. Pour la taille markers, utilisez Quarter canadien, un Penny américain, et une règle de centimètres sur le côté de la photo.
      5. Effectuer t -test et boîte à moustaches pour l' analyse statistique 11,12.
        NOTE: Les groupes de cinq nombre résumés ont été utilisés pour calculer la limite inférieure (L) valeur Q1 - [1,5 × (Q3 - Q1)] et plus de limite (H) valeur Q3 + [1,5 × (Q3 - Q1) ]. Cette approche a été incorporé dans l' étape 1.2.2 pour la collecte de données de longueur 11. Les L et H montrent des valeurs de la zone de 99% des parcelles T de distribution, ce qui signifie que les points de données observées en dehors de cette gamme peuvent être considérés comme des valeurs aberrantes. Parcelles de boîte et de Student t -test ont été utilisées pour analyser les différences dans les hauteurs de semis 12.

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Representative Results

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Tubuline coloration a montré une dispersion ou des structures aminci dans des plantes cultivées en présence de l'aimant par rapport au témoin (figure 2). En outre, 7 jour des études time-lapse avec des plantes agricoles , y compris Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis) et Mescluns (Lepidium sativum) ont indiqué que un aimant dérivé champ magnétique statique augmente la croissance initiale de ces plantes (Figure 3).

Ces résultats suggèrent que le groupe exposé à un champ magnétique avait un changement de croissance notable (figure 1). Les plantes cultivées dans des environnements sombres ne montrent aucune différence, ce qui suggère que seul l'état actuel de lumière était applicable dans une expérience de temps de défaillance de 7 jours. Trois plantes agricoles représentatives ont été utilisées dans cette étude, mais d'autres plantes auraient pu être utilisés. Les cultures et autres plantes peuvent être étudiées à l'aidele même protocole. Dans des études précédentes, le taux de croissance a augmenté de 20%, tandis que les présents résultats ont montré une augmentation de 1,4 fois, ce qui est 40%. Ainsi, l'application d'un aimant à champ magnétique statique est plus efficace que l'application d'une alternance d'impulsions magnétiques.

Détermination de l'effet d'un champ magnétique peut être compliqué parce que toute structure moléculaire avec une charge électrique peut être influencée 3,4. Le champ magnétique statique semble influer sur le taux de croissance initial de jardin baumier dans un tissu de la tour de cellulose cultivée. La valeur était statistiquement significative et était d'environ 1,4 fois le taux de contrôle de la croissance. La tubuline est essentielle pour maintenir la structure de la plante au cours de l' élongation cellulaire et la croissance 9.

Figure 1
Figure 1. Croissance du jardin Balsam. (A) La croissance du jardin Balsam traité avec un champ magnétique statique dans des conditions sombres était marginal; cependant, les plantes ont augmenté plus rapidement lorsqu'ils sont exposés à la lumière (la seule image représentative représentée). (B) Lorsqu'il est exposé à la lumière, le jour 3, la différence de hauteur était statistiquement significative (p <0,01, recto-verso t -test). (C) la hauteur de chaque plante était plus élevée jusqu'au jour 7 (**: borne supérieure de l' erreur standard pour la mesure). Conditions sombres n'induisent des différences, ce qui indique que les effets du champ magnétique pourraient être associées à des hormones. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. tubuline coloration du jardin Balsam etaugmentation du taux de croissance du Jardin Balsam après l'application d'un champ magnétique. (A) Garden Balsam a montré une distribution dispersée de la structure de la tubuline lorsqu'un champ magnétique est appliqué. Ce résultat indique que les structures des protéines de blocage telles que la croissance de tubuline (et peut-actine) sont affectées par des champs magnétiques statiques. (B) Le taux de croissance moyen a été de 1,4 fois supérieure à celle du témoin, et la hauteur moyenne était plus élevée dans le groupe traité avec le champ magnétique. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3. Un champ magnétique a facilité la croissance de Mescluns (Lepidium sativum, avant) et Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis). Le sup de semencesplat plétées Pétri a été traité avec un champ magnétique de 1.750 ± 350 Gauss et observé pendant 7 jours avec un intervalle de 10 min time-lapse. La vidéo time-lapse a été réduit à 15 fragments de 11 h chacun. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Vidéo 1 Cadre
Vidéo supplémentaire 1: Croissance timelapse du Jardin Balsam (Impatiens balsamina) Un jardin Balsam (Impatiens balsamina) semences complétées boîte de Pétri a été traité avec un champ magnétique de 1.750 ± 350 Gauss et ensuite observé pendant 7 jours avec un intervalle de 10 time-lapse. min. La vidéo a été réarrangé dans un film de 30 min. S'il vous plaît cliquez ici pour voir cette vidéo. (Faites un clic droit pour télécharger.)


Vidéo complémentaire 2:. Comparaison de la croissance de 3 plantes cultivées en triple Mizuna (. Brassica rapa var japonica), Komatsuna (. Brassica rapa var perviridis), et Mesclun (Lepidium sativum) sont présentés dans un diamètre de 100 mm (100 pi ) boîte de Pétri. Dans des conditions identiques à celles de Garden Balsam, les trois espèces ont été évaluées séparément, ce qui a révélé que l'effet de l'aimant est largement observé dans les plantes agricoles. S'il vous plaît cliquer ici pour voir cette vidéo. (Faites un clic droit pour télécharger.)

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Discussion

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Dans toutes les conditions, les aimants doivent être appliqués dans la boîte de Pétri. Cette étude a examiné l'influence des champs magnétiques sur le taux de graines de croissance pour plusieurs espèces agricoles, en mettant l'accent sur le jardin Balsam en tant que représentant des plantes agricoles. Par exemple, la tubuline coloration a été réalisée sur Garden Balsam pour évaluer les changements au niveau moléculaire dans la racine et la tige micro-structures squelettiques suggérant l'influence du champ magnétique de longueur prolifération. Les deux pôles N et S de l'aimant ont été appliqués dans un long terme (7-10 d) étude de suivi en utilisant Garden Balsam. Trois autres espèces, Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), et Mesclun (Lepidium sativum), ont été traités avec N-polaires aimants orientés. Cela a été de vérifier en outre que le champ magnétique statique elle-même, et non pas des pôles, est un facteur important dans l'amélioration de la croissance initiale. En outre, l'augmentation du nombre d'espèces fournit un support pourapplication plus large de la facilitation de la croissance initiale aimant dérivé de plantes agricoles.

De nombreux facteurs, tels que la nutrition, l' humidité, la température et la lumière, peuvent affecter le taux de 3 croissance des plantes. Chacun de ces a été maintenue constante dans tous les traitements. Complément alimentaire a été exclu par la culture que dans de l'eau distillée triple. Nous avons d'abord contrôlé pour la lumière-expériences ont été initialement effectuées sur Garden Balsam dans un incubateur dans des conditions sombres. Les schémas de croissance dans l'environnement sombre différaient de celles de l'environnement lumineux. Par conséquent, nous avons mené des expériences ultérieures dans des conditions de lumière (en utilisant des quantités identiques de la lumière dans tous les groupes expérimentaux). Pour la coloration de la tubuline, le Jardin Balsam a été cultivé dans des conditions contrôlées (eau triple distillation, la température de 18-25 ° C, humidité 65% -75%). D'autres expériences de la 7-10-d étude de suivi avaient "conditions nulles: pas de nutrition" identiques conditions à celles utilisées avec Garden Balsam (eau distillée triple, température 18-25 ° C, humidité 65% -75%). En ce qui concerne l'application de l'aimant, nous avons utilisé une stratégie dans laquelle on quantitativement augmenté le nombre d'espèces et la durée de l'application de l'aimant de rechercher si les champs magnétiques ont un effet sur la croissance facilitant universel sur les plantes agricoles qui ne sont pas limitées à certaines espèces. Cette idée a été étudiée en utilisant Garden Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis) et Mescluns (Lepidium sativum).

La base moléculaire de ce phénomène a été partiellement clarifiée par les expériences tubuline de coloration 9-11, mais une enquête plus approfondie est nécessaire pour une utilisation pratique. l'application précise magnétique peut être limité dans des environnements humides à cause de l'érosion de l'aimant lui-même. Les champs magnétiques augmentent physiquement la croissance des plantes agricoles. Cependant, this ne prouve pas que le contenu nutritionnel augmente également. Une analyse plus poussée de la teneur chimique des plantes doit être effectuée afin de déterminer si l'utilisation de champs magnétiques a un effet similaire à celui d'un engrais. Cela pourrait aussi être évaluée dans des environnements dans lesquels les nutriments sont fournis, ainsi que les conditions de nutriments null utilisant de l'eau distillée qui ont été utilisés dans la présente étude. En plus de la qualité (type, intensité, etc.) et la quantité d'aimants appliqués, le coût peut être une autre question qui complique ces applications. Il peut être coûteux d'appliquer de nombreux aimants à travers un champ de culture entier.

Nos résultats suggèrent que l'application de champ magnétique statique accélère le taux de germination et le taux de croissance initiale de plusieurs espèces de plantes cultivées. Ces résultats démontrent qu'un champ magnétique statique a un effet significatif sur la croissance des plantes, en particulier la croissance des plantes 7 germination 6 et de la racine.Des études antérieures ont suggéré que les taux de germination maximales étaient de 20% plus élevé lorsque la fréquence du champ magnétique est de l' ordre de 10 Hz 6/5. Au cours de seulement 4 d de l'application d'un champ magnétique, la tige et la racine de longueur augmentée. Le groupe soumis à un traitement de champ magnétique (n = 10) a montré un taux 1,4 fois plus élevé de croissance que fait le groupe témoin (n = 11) dans un total de 8 d (p <0,0005). Ce taux était de 20% supérieure à celle trouvée dans les études précédentes qui utilisaient un champ magnétique pulsé 6-9.

Compte tenu de ces résultats, l' expression des gènes et de régulation devraient également être étudiées dans des expériences futures pour la clarification des mécanismes potentiels derrière les réponses observées à des champs magnétiques 10. Nos résultats suggèrent que l'application d'un champ magnétique pourrait augmenter le taux de croissance des cultures, ce qui pourrait aider à résoudre les problèmes alimentaires et de la pauvreté dans le monde entier. En outre, l'application d'un champ magnétique peut être utile deréduire l'utilisation des engrais chimiques.

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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

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References

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Cite this Article

Kim, S. C., Mason, A., Im, W. Enhancement of the Initial Growth Rate of Agricultural Plants by Using Static Magnetic Fields. J. Vis. Exp. (113), e53967, doi:10.3791/53967 (2016).More

Kim, S. C., Mason, A., Im, W. Enhancement of the Initial Growth Rate of Agricultural Plants by Using Static Magnetic Fields. J. Vis. Exp. (113), e53967, doi:10.3791/53967 (2016).

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