Abstract
Elektroniska apparater och högspänningstrådar inducerar magnetfält. Ett magnetfält av 1,300-2,500 Gauss (0,2 Tesla) applicerades på Petri-skålar innehållande frön från Garden Balsam (Impatiens balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), och Mescluns (Lepidium sativum ). Vi tillämpade magneter under odlingsskålen. Under 4 dagar från appliceringen, observerade vi att stammen och rotlängd ökas. Den grupp som utsätts för magnetfält behandling (n = 10) visade en 1,4 gånger snabbare tillväxttakt jämfört med kontrollgruppen (n = 11) i totalt 8 dagar (p <0,0005). Denna sats är 20% högre än vad som rapporterats i tidigare studier. Tubulin komplicerad inte har anslutningspunkter, men anslutningspunkter inträffar vid tillämpningen av magneter. Detta visar fullständig skillnad från kontroll, vilket innebär onormala arrangemang. Förblir emellertid den exakta orsaken oklar. dessa resÜLTS tillväxtförbättring att tillämpa magneter tyder på att det är möjligt att förbättra tillväxttakten öka produktiviteten, eller kontrollera hastigheten på groning av växter genom att tillämpa statiska magnetfält. Dessutom kan magnetfält orsaka fysiologiska förändringar i växtceller och kan inducera tillväxt. Därför kan stimulering med ett magnetfält uppvisar möjliga effekter som liknar de av kemiska gödningsmedel, vilket innebär att kan undvikas användning av gödningsmedel.
Introduction
Groning är tillväxten av en växt, som resulterar i bildandet av plantan 1. Under vissa förhållanden, börjar frögroning och embryonala vävnader återupptas tillväxt. Det börjar med fukt till utsädet för att aktivera enzymer för groning. Frön kan induceras att gro in vitro (i en petriskål eller provrör) 1,2.
Statiska magnetfält är specialstyrkor som orsakar rörelser av molekyler med joniska laddningar i form av Lorentz-kraften 3,4. Lorentz-kraften bildas när en joniserad eller laddade objekt rör sig under ett magnetfält. Varje material bildas med atomer som är sammansatta av elektroner och protoner. När magnetfält blir närvarande, oavsett om det är statiskt eller alternerande, det påverkar rörelsen av laddade materialet. Detta gäller även för växter och vattenmolekyler, som påverkar den intracellulära molekylen tillstånd. I en tidigare studie har elektromagnetiska spolar användesatt generera pulsade magnetfält, och "Komatsuna fabriker valdes som försöks 5. I den aktuella studien, genererade magnet statiska magnetfält användes för att ge en liknande men olika effekter som en utvidgning studie av Lorentz kraft.
Frekvensen hos det magnetiska fältet, snarare än dess polaritet, är en avgörande faktor för växt groning. Tidigare studier har antytt att maximala groning priser var 20% högre än kontrollen när frekvensen hos det magnetiska fältet var ca 10 Hz. När fältet medlet avlägsnades i en retrograd riktning, var tillväxthastigheten försämras 5. Statiska magnetfält har en avsevärd effekt på den initiala tillväxt 6-8, i första hand på groning 6 och rottillväxt 7.
I den aktuella studien använde vi statiska magneter för att undersöka möjligheten att reglera tillväxten av jordbruksväxter med hjälp av magnetfält. Framför allt syftar vi determine om vissa villkor för magnetfält ansökan skulle kunna öka tillväxttakten till högre nivåer än de som nämns i litteraturen. Dessutom, om den initiala groning av växter med framgång kan ökas med användning av ett magnetiskt fält, användning av kemiska gödningsmedel kan undvikas.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Startinställningar
- Lantbruksväxter
- Använd Garden Balsam (balsamin), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), och Mescluns (Lepidium sativum) frön.
OBS: balsamin (Garden Balsam eller Rose Balsam) är en art infödda till Indien; några medlemmar finns också i Burma. Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis eller Komatsuna) är en variant av samma art som den gemensamma kålrot. Krasse (Lepidium sativum) är en typ av ört som taxonomiskt är relaterat till vattenkrasse och senap. De har liknande smaker och doft, för vilka de kommersiellt utnyttjade 5,7.
- Använd Garden Balsam (balsamin), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), och Mescluns (Lepidium sativum) frön.
- växt Cultures
- Culture Garden Balsam (balsamin), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), och Mescluns (Lepidium sativum) frön i en 100 mm diameter (100 pi) petriskål. Se till att en platta innehåller endast en typ av arter.
- För odlingsbetingelser, placera fröna på en cellulosa handduk. Sänk handduken och frön i trippel destillerat vatten. Mät och bekräfta att inomhus lab RT är 18-25 ° C, med luftfuktigheten varierar 65-75% (Se avsnitt 3.1.2).
- För antal frön, kultur 10 ± 1 frön från Garden Balsam, 50 ± 10 frön av Mizuna, 330 ± 20 frön av Komatsuna och 380 ± 20 frön av Mescluns. Använd identiska förhållanden mätt som 18-25 ° C, med luftfuktigheten varierar 65-75% (Se avsnitt 2.1.1).
NOTERA: Alla experiment utfördes på inomhus förhållanden med reglerad fuktighet och temperaturområde i labbet. Fuktigheten och temperaturen var inte statisk, men under förutsättning att de identiska förhållanden för magnet behandlade gruppen och kontroll.
2. Kultur av fyra jordbruksväxter
- Experimentell procedur
- Följ avsnitt 1.2.3) för arter av växter och odlingsbetingelser i kontroll och magnet tillämpas grupp.
- Applicera tre magneter av 1750 ± 350 Gauss (10000 Gauss = 1 Tesla) längst ned i 100 pi rätter för Garden Balsam. Under appliceringen, säkerställa att de tre magneter är inte i direkt kontakt med fröna, och skiljs åt av den plast botten av petriskålen. Den direkta avståndet mellan frön och magneter bör vara 2-4 mm. Tillämpa magneter för 168 h (7 dagar) för fyra jordbruksväxter.
- Efter alla steg identiskt i 2.1.2), tillämpa två magneter en (vänd N uppåt) på toppen och andra magnet (vänd S uppåt) på undersidan av Garden Balsam odlingsplatta.
OBS! Polerna tillämpas olika i Garden Balsam. Emellertid är stolpen orientering inte betraktas som en avgörande faktor i denna studie för tillväxt förändringar, som alla miljöer är identiska med undantag för den riktningav det magnetiska flödet. Syftet med N och S-polen ansökan om Garden Balsam var att se den praktiska förmågan att använda det i områden, där pol orientering kan vara svåra att hantera.
3. tubulin färgning av Garden Balsam
- Magnet applikationer med reglerad ljusförhållanden
- Placera två magneter (N-polen uppåt) ned i 100 mm platta under 48 timmar, med hjälp av villkoren i steg 1.2.2.
OBS: För modifiering av ljus, var odlingsskålarna placerades på en plasthylla i inkubatorn. Inkubator användes för avlyssning av ljus och bibehålla temperaturen vid 25 ° C under 48 h i mörker. Så småningom blev detta villkor inte användes i detta experiment på grund av höga variationer i tillväxt längd.
- Placera två magneter (N-polen uppåt) ned i 100 mm platta under 48 timmar, med hjälp av villkoren i steg 1.2.2.
- växt Färgning
- Fäst hela Impatiens SPP dubbel blomma växt (inklusive stam och rötter) odlas på samma villkor med steg 3.1.2) i 4% paraformaldehyd och 0,1 Mfosfatbuffert (pH 7,4) under 15 min.
- Avlägsna impatiens provet och sänk ned under 2 timmar i blockeringsbuffert (2% hästserum / 1% bovint serumalbumin / 0,1% Triton X-100 i PBS, pH 7,5). Tvätta Impatiens provet genom nedsänkning med PBS under 15 min.
- För dubbel immunfärgning, inkubera provet med primär antikropp, anti-alpha tubulin (1: 1000), O / N vid 4 ° C.
- Ta bort provet och doppa proverna en gång med PBS under 10 min för att tvätta. Användning FITC-konjugerat anti-mus-IgG (1: 400) som sekundär antikropp och inkubera i 2 h vid 25 ° C.
- Sänk provet i PBS och täcka glida hela provet i botten av 24 brunnar. Erhålla bilder med hjälp av en konventionell fluorescensmikroskop för att observera tubulin orientering (λ = 550 nm, förstoras till 100X, 200X och 400X).
OBS: I det här fallet var magneten behandlade gruppen (n = 10) och kontroller (n = 11) bekräftas för Garden Balsam (balsamin) endast odlas i icke-mörka förhållanden.
4. Datainsamling Metoder
- Time-lapse skapa fyra Agricultural Plant Growth
- Fotografera anläggningen vid 10 minuters intervall, genom att ställa in slutaren automatiskt (detta kan göras i en digital kamera). Ställ in bländaren till F 3.2 och ISO-värdet till 400.
- Samla 700-900 bilder på 7-10 dagar. Anslut kameran med elektriska ledningar, eftersom batteriet kan vara urladdat.
- Dra bilderna genom att klicka och släppa varje bild i kronologisk ordning under strömmande linje med filmskapande programvara (se material och utrustning tabell). Sätt den på en strömmande linje i lika varaktigheter av från 0,045 till 0,05 sek för varje del i en film totalt 30-40 sek. Kontrollera så att det inte finns några mörka luckor med att välja varje bild i en kronologisk ordning.
- Efter steg 4.1.3, klicka på play-knappen i programmet för att säkerställa inkompilerade filmen i en 30-40 sek time-lapse video bild och klicka göra och spara till MPEG eller .avi-format. För storlek markers använda kanadensisk Quarter, en amerikansk Penny, och en centimeter linjal på sidan av bilden.
- Utför t-test och lådagram för statistisk analys 11,12.
OBS: Grupper om fem-siffer sammanfattningar användes för att beräkna den nedre gränsen (L) -värde som Q1 - [1,5 x (Q3 - Q1)] och den högre gränsen (H) värde som Q3 + [1,5 x (Q3 - Q1) ]. Detta tillvägagångssätt införlivades i steg 1.2.2 Längs datainsamling 11. L- och H-värden visar området för T-distributions tomter 99%, vilket innebär att datapunkter observerades utanför detta område kan betraktas extremvärden. Boxdiagram och Students t-test användes för att analysera skillnaderna i höjderna av plantor 12.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tubulin färgning visade spridda eller tunnas strukturer i växter som odlas i närvaro av magneten jämfört med kontrollen (Figur 2). Dessutom 7 dagars tidsförlopp studier med jordbruksväxter inklusive Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis) och Mescluns (Lepidium sativum) indikerade att en magnet som härrör statiskt magnetfält ökar den initiala tillväxten av dessa växter (Figur 3).
Dessa resultat tyder på att den grupp som utsätts för ett magnetfält hade en anmärkningsvärd tillväxt förändring (Figur 1). Växter som odlas i mörka miljöer visade ingen skillnad, vilket tyder på att endast ljuset befintligt skick var tillämplig i en 7-dagars time-lapse experiment. Tre representativa jordbruksväxter användes i denna studie, men fler växter skulle kunna ha använts. Grödor och andra växter kan undersökas med hjälp avsamma protokoll. I tidigare studier ökade tillväxthastigheten med 20%, medan föreliggande resultat visade en 1,4-faldig ökning, vilket är 40%. Sålunda, tillämpning av en magnet med statiskt magnetfält var effektivare än tillämpningen av alternerande magnetiska pulser.
Att bestämma effekten av ett magnetiskt fält kan vara komplicerat eftersom helst molekylstruktur med elektrisk laddning kan påverkas 3,4. Det statiska magnetfältet föreföll att påverka den initiala tillväxthastigheten av trädgårds balsam i en odlad cellulosa torn vävnad. Värdet var statistiskt signifikant och var ungefär 1,4 gånger den tillväxthastigheten för kontrollen. Tubulin är nödvändigt för att hålla anläggningsstruktur under cellförlängning och tillväxt 9.
Figur 1. Tillväxt av Garden Balsam. (A) Tillväxten av Garden Balsam behandlas med ett statiskt magnetfält under mörka förhållanden var marginella; dock växterna växte snabbare när de exponeras för ljus (den enda representativ bild visas). (B) När de utsätts för ljus, på dag 3, var skillnaden i höjd statistiskt signifikant (p <0,01, tvåsidigt t-test). (C) Varje enskild anläggning höjd var högre tills dag 7 (**: övre gräns av standardavvikelsen för mätning). Mörka förhållanden inducerade inte några skillnader, vilket tyder på att effekterna av magnetfältet skulle kunna förknippas med hormoner. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. tubulin färgning av Garden Balsam ochökning av tillväxthastigheten hos Garden Balsam efter tillämpningen av ett magnetiskt fält. (A) Garden Balsam visade en dispergerad fördelning av tubulin strukturen när ett magnetiskt fält applicerades. Detta indikerar att tillväxthämmande proteinstrukturer som tubulin (och möjligen aktin) påverkas av statiska magnetfält. (B) Den genomsnittliga tillväxttakten var 1,4 gånger högre än den hos kontrollen, och medelhöjden var högre i den grupp som behandlades med det magnetiska fältet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Ett magnetfält underlättat tillväxten av Mescluns (Lepidium sativum, front) och Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis). Fröet supplementeras petriskål behandlades med ett magnetfält av 1750 ± 350 Gauss och observerades under 7 dagar med en time-lapse intervall om 10 minuter. Time-lapse video skars till 15 fragment av 11 timmar vardera. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Kompletterande Video 1: Tillväxt Timelapse Garden Balsam (balsamin) A Garden Balsam (balsamin) frö kompletterat petriskål behandlades med ett magnetfält av 1750 ± 350 Gauss och sedan observerades under 7 dagar med en time-lapse intervall om 10. min. Videon var ordnas i en 30 min film. Klicka här för att se filmen. (Högerklicka för att ladda ner.)
Kompletterande Video 2:. Jämförelse av tillväxten av 3 växter som odlas i triplikat Mizuna (. Brassica rapa var japonica), Komatsuna (. Brassica rapa var perviridis), och Mesclun (Lepidium sativum) frön är visade i en 100 mm diameter (100 pi ) Petriskål. Under identiska förhållanden med dem i Garden Balsam, var de tre arter bedöms separat, vilket visade att magnetens effekt till stor del uppfylld i jordbruksväxter. Klicka här för att se filmen. (Högerklicka för att ladda ner.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Under alla förhållanden, bör magneter tillämpas under petriskål. Denna studie undersökte påverkan av magnetfält på tillväxthastigheten av frön för flera jordbruks arter, med fokus på Garden Balsam som representant för jordbruksväxter. Till exempel var tubulin färgning utfördes på Garden Balsam att utvärdera de förändringar på molekylnivå i rot och stam skelettmikrostrukturer som tyder på påverkan av det magnetiska fältet i längd proliferation. Både N och S poler magnet tillämpades i ett långsiktigt (7-10 d) uppföljningsstudie med hjälp Garden Balsam. Tre andra arter, Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), och Mesclun (Lepidium sativum), behandlades med N-poliga orienterade magneter. Detta var för att ytterligare kontrollera att det statiska magnetfältet själv, inte polerna, var en viktig faktor i den inledande tillväxtökning. Dessutom ökar antalet arter ger stöd förbredare tillämpligheten av magnet-derived inledande lätta tillväxt i jordbruksväxter.
Många faktorer, såsom kost, luftfuktighet, temperatur och ljus, kan påverka graden av växters tillväxt 3. Var och en av dessa hölls konstant över behandlingar. Kosttillskott uteslöts genom endast odling i trippel destillerat vatten. Vi kontrollerade först för ljus experiment inledningsvis göras på Garden Balsam i en inkubator under mörka förhållanden. Tillväxtmönster i mörk miljö skiljer sig från dem i ljus miljö. Därför genomförde vi följande experiment i ljusförhållanden (med identiska mängder av ljus i alla experimentella grupper). För tubulin färgning, var Garden Balsam odlas under kontrollerade förhållanden (trippel-destillerat vatten, temperatur 18-25 ° C, luftfuktighet 65% -75%). Andra experiment av 7-10-d uppföljningsstudie hade identiska "null villkor: ingen näring" villkor som används med Garden Balsam (trippeldestillerat vatten, temperatur 18-25 ° C, luftfuktighet 65% -75%). När det gäller magnetapplikation, använde vi en strategi där vi kvantitativt ökat antalet arter och varaktigheten av magnetapplikation för att ytterligare undersöka om magnetfält har en universell tillväxtlätta effekt på jordbruksväxter som inte är begränsad till vissa arter. Denna idé undersöktes med hjälp av Garden Balsam (balsamin), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis) och Mescluns (Lepidium sativum).
Den molekylära grunden för detta fenomen delvis klar av tubulin färgning experiment 9-11, men det krävs ytterligare undersökningar för praktisk användning. Exakt magnetiska ansökan kan begränsas i fuktiga miljöer på grund av erosion av magneten själv. Magnetfälten fysiskt öka tillväxten av jordbruksväxter. Emellertid this bevisar inte att näringsinnehållet ökar också. Ytterligare analys av de kemiska innehållet i de växter bör genomföras för att fastställa om användningen av magnetiska fält har en effekt liknande den hos ett gödningsmedel. Detta kan också utvärderas i miljöer i vilka näringsämnen tillhandahålls, såväl som de närings null betingelser med användning av destillerat vatten som användes i föreliggande studie. Förutom kvalitet (typ, intensitet, etc.) och mängden tillämpade magneter, kan kostnaden bli en annan fråga som komplicerar sådana ansökningar. Det kan vara dyrt att tillämpa ett flertal magneter i en hel gröda fält.
Våra resultat tyder på att statisk magnetfält ansökan accelererar grobarheten och initial tillväxt på flera odlade växtarter. Dessa resultat visar att ett statiskt magnetfält har en betydande effekt på växternas tillväxt, särskilt groningen 6 och rottillväxt 7 av växter.Tidigare studier har antytt att maximala groning priser var 20% högre när frekvensen hos magnetfältet var approximativt 10 Hz 06/05. Under endast 4 d av applicering av ett magnetiskt fält, ökade stammen och rotlängd. Den grupp som utsätts för ett magnetfält behandling (n = 10) visade en 1,4-gånger högre tillväxttakt än vad kontrollgruppen (n = 11) i totalt 8 d (p <0,0005). Denna hastighet var 20% högre än den som finns i tidigare studier där en pulsad magnetfält 6-9.
Med tanke på dessa fynd, bör också studeras genuttryck och reglering i framtida experiment för att klargöra de potentiella mekanismerna bakom de observerade svar på magnetfält 10. Våra resultat tyder på att tillämpningen av ett magnetfält skulle kunna öka gröda tillväxt, vilket skulle kunna bidra till att lösa mat och fattigdomsfrågor i hela världen. Dessutom skulle tillämpningen av ett magnetfält vara till nytta förminska användningen av kemiska gödningsmedel.
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.
