O uso de alta resolução Termografia Infravermelha (Hrit) para o Estudo da Ice Ice nucleação e propagação de plantas
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
Congelamento temperaturas que ocorrem quando as plantas estão em crescimento activo pode ser letal, particularmente se a planta tem tolerância ao congelamento pouca ou nenhuma. Tais eventos geada muitas vezes têm efeitos devastadores sobre a produção agrícola e também podem desempenhar um papel importante na formação da estrutura da comunidade em populações naturais de plantas, especialmente em alpino, ecossistemas sub-árcticas e árcticas 1-6. Os episódios de geadas da Primavera graves tiveram grandes impactos sobre a produção de frutos nos EUA e América do Sul nos últimos anos 7-9 e foram exacerbadas pelo início precoce de tempo quente seguido por mais típicas baixas temperaturas médias. O clima quente no início induz botões para se abrirem, ativando o crescimento de novos brotos, folhas e flores todos os que têm muito pouca ou nenhuma tolerância geada 1,3,10-12. Tais padrões climáticos erráticos foram relatados para ser um reflexo direto das mudanças climáticas em curso e espera-se que seja um padrão de tempo comum para as foresfuturo eeable 13. Os esforços para proporcionar técnicas de gestão econômica, eficazes e respeitadores do ambiente ou agrotóxicos que podem fornecer tolerância a geadas aumento tiveram sucesso limitado por uma série de razões, mas isso pode ser atribuído em parte à natureza complexa do congelamento tolerância e mecanismos de prevenção de congelamento nas plantas. 14
Os mecanismos adaptativos associados com a sobrevivência geada em plantas têm sido tradicionalmente divididos em duas categorias, a tolerância ao congelamento e evitar o congelamento. A categoria anterior está associada com mecanismos bioquímicos regulados por um conjunto específico de genes que permitem que as plantas para tolerar as tensões associadas com a presença e o efeito desidratante de gelo nos seus tecidos. Enquanto a última categoria é normalmente, mas não exclusivamente, associado a aspectos estruturais de uma planta que determinam se, quando e onde as formas de gelo em uma planta 14. Apesar da prevalência de evitar congelamento como um anúnciomecanismo aptive, pouca pesquisa tem sido dedicada nos últimos tempos para a compreensão dos mecanismos subjacentes e regulação de evitar congelamento. O leitor é remetido para uma revisão recente 15 para maiores detalhes sobre este assunto.
Enquanto a formação de gelo a baixas temperaturas pode parecer um processo simples, muitos factores que contribuem para a determinação da temperatura à qual o gelo nucleia em tecidos de plantas e como se propaga dentro da planta. Parâmetros como a presença de extrínseco e intrínseco nucleadores de gelo, contra eventos nucleação homogênea heterogêneos, térmico-histerese (anticongelante) proteínas, a presença de açúcares específicos e outras osmolytes, e uma série de aspectos estruturais da planta pode desempenhar um importante papel no processo de congelação em plantas. Colectivamente, estes parâmetros influenciam a temperatura à qual uma planta congela, onde o gelo é iniciada e como ele cresce. Eles podem também afectar a morfologia dos cristais de gelo resultantes.Vários métodos têm sido utilizados para estudar o processo de congelação em plantas sob condições de laboratório, incluindo espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) 16, ressonância magnética (MRI) 17, crio-microscopia 18-19, e microscopia eletrônica de varredura de baixa temperatura (LTSEM ). 20 Congelamento de plantas inteiras em ambientes de laboratório e campo, no entanto, tem sido principalmente monitorizadas com termopares. A utilização de termopares para estudar congelamento baseia-se na libertação de calor (entalpia de fusão), quando a água passa por uma transição de fase do estado líquido para um sólido. A congelação é então gravada como um evento exotérmico. 21-23 Mesmo que os termopares são o método típico de escolha no estudo de congelação em plantas, a sua utilização tem muitas limitações que limitam a quantidade de informação obtida durante a ocorrência da congelação. Por exemplo, com termopares é difícil quase impossível de determinar onde o gelo é iniciado em plantas, como se propaga,se propaga a uma taxa ainda, e se alguns tecidos permanecem livres de gelo.
Avanços em termografia infravermelha de alta resolução (Hrit) 24-27, no entanto, têm aumentado significativamente a capacidade de obter informações sobre o processo de congelação em plantas inteiras, especialmente quando usado em um modo diferencial de imagem. 28-33 No presente relatório, descrevem a utilização desta tecnologia para o estudo de vários aspectos do processo de congelação e vários parâmetros que afectam onde e gelo e em que a temperatura é iniciada em plantas. Um protocolo irá ser apresentada que vai demonstrar a capacidade da bactéria-nucleação de gelo-activo (INA), Pseudomonas syringae (Cit-7), para actuar como um nucleador extrínseca iniciar a congelação em uma planta herbácea a, uma temperatura abaixo de zero elevado.
De alta resolução Infrared Camera
O protocolo e exemplos documentados neste relatório utilizar uma alta resolução infravermelhoradiómetro de vídeo. O radiómetro (Figura 1) fornece uma combinação de imagens de espectro visível e infravermelho e dados de temperatura. A resposta espectral da câmera é na faixa de 7,5 a 13,5 mm e fornece 640 x 480 pixels de resolução. Espectro visível imagens geradas pelo construído em câmara pode ser fundido com IR-imagens em tempo real, o que facilita a interpretação de imagens complexas, térmicas. A gama de lentes para a câmera pode ser usada para fazer close-up e observações microscópicas. A câmera pode ser usada em modo stand-alone, ou interface e controlada com um laptop usando software proprietária. O software pode ser utilizado para se obter uma variedade de dados térmicos incorporados nos vídeos gravados. É importante notar que uma grande variedade de radiómetros infravermelhos estão disponíveis comercialmente. Portanto, é essencial que o pesquisador discutir a sua aplicação pretendida com um engenheiro de produto experiente e que o investigador testar a capacidade de qualquer específic radiômetro para fornecer as informações necessárias. O radiômetro de imagem usados no protocolo descrito é colocado em uma caixa de acrílico (Figura 2) isoladas com isopor i n fim de dissuadir a exposição a condensação durante os protocolos de aquecimento e esfriamento. Essa proteção não é necessária para todas as câmeras ou aplicações.
Protocol
Representative Results
Discussion
A água tem a capacidade de supercool a temperaturas bem abaixo de 0 ° C e a temperatura a que a água irá congelar podem ser bastante variável. 36 A temperatura limite para a super-ref rigeração de água pura é de cerca de -40 ° C e é definido como o ponto de nucleação homogénea. Quando a água congela a temperaturas mais altas do que -40 ° C que é provocada pela presença de heterogénea nucleadores que permitem pequenas embriões de gelo para formar o qual, em seguida, servir como um catalisad…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta pesquisa foi financiada pelo Fundo de Ciência Austríaco (FWF): P23681-B16.
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 |
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