Bruk av høy oppløsning Infrarød termografi (HRIT) for studier av iskimdannende og Ice Formering hos planter

Summary

Here we present a protocol that allows one to visualize sites of ice formation and avenues of ice propagation in plants utilizing high resolution infrared thermography (HRIT).

Abstract

Freezing events that occur when plants are actively growing can be a lethal event, particularly if the plant has no freezing tolerance. Such frost events often have devastating effects on agricultural production and can also play an important role in shaping community structure in natural populations of plants, especially in alpine, sub-arctic, and arctic ecosystems. Therefore, a better understanding of the freezing process in plants can play an important role in the development of methods of frost protection and understanding mechanisms of freeze avoidance. Here, we describe a protocol to visualize the freezing process in plants using high-resolution infrared thermography (HRIT). The use of this technology allows one to determine the primary sites of ice formation in plants, how ice propagates, and the presence of ice barriers. Furthermore, it allows one to examine the role of extrinsic and intrinsic nucleators in determining the temperature at which plants freeze and evaluate the ability of various compounds to either affect the freezing process or increase freezing tolerance. The use of HRIT allows one to visualize the many adaptations that have evolved in plants, which directly or indirectly impact the freezing process and ultimately enables plants to survive frost events.

Introduction

Minusgrader som oppstår når plantene er aktivt voksende kan være dødelig, særlig hvis anlegget har liten eller ingen frysing toleranse. Slike frost hendelser har ofte ødeleggende effekt på jordbruksproduksjon, og kan også spille en viktig rolle i å forme samfunnet struktur i naturlige bestander av planter, spesielt i alpint, sub-arktiske og arktiske økosystemer ^1-6. Episoder med alvorlige våren frost har hatt store konsekvenser for fruktproduksjon i USA og Sør-Amerika de siste årene ^7-9, og har blitt forsterket av tidlig debut av varmt vær etterfulgt av mer typiske gjennomsnitts lave temperaturer. Den tidlige varme været induserer knopper å bryte, aktiverer veksten av nye skudd, blader og blomster som alle har svært liten eller ingen frosttoleranse ^1,3,10-12. Slike uberegnelige værmønstre er rapportert å være en direkte refleksjon av pågående klimaendringer, og forventes å være en felles været mønster for de foreseeable fremtiden ^13. Innsats for å gi økonomiske, effektive og miljøvennlige teknikker eller plantevernmidler som kan gi økt frosttoleranse har hatt begrenset suksess for en rekke grunner, men dette kan delvis tilskrives den komplekse natur av frysing toleranse og frysing mekanismer unngåelse i planter. ¹⁴

Den adaptive mekanismer knyttet til frost overlevelse i planter har tradisjonelt vært delt inn i to kategorier, frysing toleranse og frysing unngåelse. Den førstnevnte kategori er assosiert med biokjemiske mekanismer som er regulert av et bestemt sett av gener som tillater plantene å tåle de påkjenninger assosiert med tilstedeværelse og dehydrativ effekten av is i sin vev. Mens den sistnevnte kategori er vanligvis, men ikke utelukkende, i forbindelse med strukturelle aspekter ved et anlegg som bestemmer om, når og hvor isen dannes i en plante ^14. Til tross for utbredelsen av fryse unngåelse som en annonseaptive mekanisme, har lite forskning blitt viet i nyere tid for å forstå de underliggende mekanismene og regulering av fryse unngåelse. Leseren er henvist til en fersk gjennomgang ¹⁵ for større detaljer om dette emnet.

Mens dannelsen av is ved lave temperaturer kan virke som en enkel prosess, mange faktorer som bidrar til å bestemme den temperatur ved hvilken is nucleates i plantemateriale, og hvor det sprer seg i anlegget. Parametere som for eksempel nærværet av ytre og indre is kimdannende midler, heterogene lignet med homogene kjernehendelser, termisk-hysterese (frostvæske) proteiner, tilstedeværelse av spesifikke sukkere og andre osmolytes, og en rekke av strukturelle deler av anlegget kan alt spille en betydelig rolle i fryseprosessen i planter. Sammen er disse parametre påvirker den temperatur ved hvilken et anlegg fryser, hvor isen er igangsatt, og hvor den vokser. De kan også påvirke morfologien av de dannede iskrystaller.Forskjellige metoder er blitt brukt til å studere fryseprosessen i planter under laboratoriebetingelser, herunder kjernemagnetisk resonansspektroskopi (NMR) ^16, magnetisk resonansavbildning (MRI) ^17, Cryo-mikroskopi ^18-19, og lav temperatur scanning elektronmikroskopi (LTSEM ). ²⁰ Frysing av hele planter i laboratorie- og feltinnstillinger, men har i hovedsak vært overvåket med termo. Bruken av termoelementer for å studere frysing er basert på frigjøring av varme (smelteentalpi) når vannet gjennomgår en faseovergang fra en væske til et fast stoff. Frysing er da oppført som en eksoterm hendelse. ^21-23 Selv om termo er den typiske metoden for valg i å studere iskaldt i planter, har deres bruk mange begrensninger som begrenser mengden av informasjon som er innhentet under en fryse hendelse. For eksempel, med termoelementer er det vanskelig å nesten umulig å bestemme hvor isen blir initiert i planter, hvor den forplanter seg,hvis det forplanter seg på en jevn hastighet, og hvis noen vev forblir fri for is.

Fremskritt i høy oppløsning infrarød termografi (HRIT) ^24-27, men har betydelig økt evne til å innhente informasjon om fryseprosessen i hele planter, spesielt når de brukes i en differensiell avbildningsmodus. ^28-33 I den foreliggende rapporten, vi beskriver bruken av denne teknologien for å studere forskjellige aspekter av fryseprosessen og forskjellige parametere som påvirker hvor og og ved hvilken temperatur is initiert i planter. En protokoll vil bli presentert som vil demonstrere evnen til is-kjernedannelse-aktiv (INA) bakterien Pseudomonas syringae (Cit-7) til å virke som en ytre kimdannende initiere frysing i en urteaktig plante ved en høy, frysepunktet temperatur.

Høyoppløselig infrarødt kamera

Protokollen og eksempler er dokumentert i denne rapporten benytter en høy oppløsning infrarødvideo radiometer. Den radiometer (figur 1) leverer en kombinasjon av infrarøde og synlige spektrum bilder og temperaturdata. Den spektrale respons av kameraet er i området fra 7,5 til 13,5 mikrometer, og gir 640 x 480 piksler. Synlige spektrum bildene som genereres av den innebygde kameraet kan være kondensert med IR-bilder i sann tid, noe som letter tolkningen av komplekse, termiske bilder. En rekke linser for kameraet kan brukes til å gjøre nærbilde og mikroskopiske observasjoner. Kameraet kan brukes i en frittstående modus, eller tilkobles og styres med en bærbar datamaskin ved hjelp propietary programvare. Programvaren kan brukes til å oppnå en rekke termiske data innebygd i videoopptakene. Det er viktig å merke seg at en rekke av infrarøde radiometers er kommersielt tilgjengelige. Derfor er det viktig at forskeren diskutere deres tiltenkte formålet med en kunnskapsrik produktingeniør og at forskeren teste evnen til enhver spesific radiometer for å gi den informasjonen som trengs. Den bilderadiometer som brukes i den beskrevne protokoll er plassert i en akryl (Figur 2) isolert med Styrofoam a t for å hindre eksponering for kondensering under oppvarming og avkjøling protokoller. Denne beskyttelsen er ikke nødvendig for alle kameraer eller programmer.

Protocol

1. Utarbeidelse av plantemateriale Bruk enten blader eller hele planter av faget plantemateriale (Hosta spp. Eller Phaseolus vulgaris). 2. Utarbeidelse av Water Solutions Inneholder iskimdannende Aktive (INA) Bakterier Kultur INA bakterien Pseudomonas syringae (Strain Cit-7) i petriskåler ved 25 ° C på Pseudomonas Agar F forberedt med 10 g / L av 100% glyserol per produsentens retning. Etter kulturer har vokst tilstrekkelig,…

Representative Results

Is-kjernedannende aktivitet av is + bakterien Pseudomonas syringae (stamme Cit-7) En 10 pl dråpe vann og 10 mL vann inneholdende P. syringae (Cit-7) ble plassert på overflaten av en abaxial Hosta blad (Hosta spp.) (figur 4). Som illustrert dråpe vann inneholder INA bakterier frøs først og var ansvarlig for å indusere blad å fryse mens dråpe vann på bladet overflaten forble ufrosset. Frysing og Ice Formering i e…

Discussion

Vann har evnen til å Super til temperaturer godt under 0 ° C og den temperatur ved hvilken vann vil fryse kan være ganske variabel. ³⁶ Temperaturgrensene for underkjøling av rent vann er ca. -40 ° C og er definert som den homogene kjernepunktet. Når vann fryser ved temperaturer varmere enn -40 ° C den er forårsaket av tilstedeværelsen av heterogene kimdannende som gjør at små is embryo for å danne som deretter tjene som en katalysator for isdannelse og vekst. ³⁷ Det er et mangfold av mo…

Materials

Infrared Camera	FLIR	SC-660	Many models available depending on application
Infrared Analytical Software	FLIR	ResearchIR 4.10.2.5	$3,500
Pseudomonas syringae (strain Cit-7)			Kindly provided by Dr. Steven Lindow, University of California  Berkeley icelab@berkeley.edu
Pseudomonas Agar F	Fisher Scientific	DF0448-17-1