Waiting
Processando Login

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

استخدام عالية الدقة الأشعة تحت الحمراء الحراري (HRIT) لدراسة الجليد في النواة والجليد نشر في النباتات

Published: May 8, 2015 doi: 10.3791/52703
Automatic Translation
1, 2, 3
1U.S Department of Agriculture, Agricultural Research Service (USDA-ARS), Kearneysville, WV, 2Institute of Botany, University of Innsbruck, 3Department of Plant Science, University of Saskatechewan

Introduction

يمكن أن انخفاض درجات الحرارة التي تحدث عند النباتات تنمو بنشاط أن تكون قاتلة، لا سيما إذا كان المصنع لديه القليل أو لا تسامح التجميد. مثل هذه الأحداث الصقيع غالبا ما يكون لها آثار مدمرة على الإنتاج الزراعي ويمكن أيضا أن تلعب دورا هاما في تشكيل بنية المجتمع في السكان الطبيعية من النباتات، وخاصة في جبال الألب، والنظم الإيكولوجية جنوب القطب الشمالي والقطب الشمالي 1-6. وكان حلقة من الصقيع الشديد الربيع تأثيرات كبيرة على إنتاج الفاكهة في الولايات المتحدة الأمريكية وأمريكا الجنوبية في السنوات الأخيرة 7-9 وتفاقمت الاصابة المبكرة الطقس الحار تليها انخفاض درجات الحرارة يعني أكثر نموذجية. الحث على الطقس الحار في وقت مبكر براعم لكسر، وتفعيل نمو البراعم الجديدة، الأوراق، والأزهار وكلها لها القليل جدا من دون الصقيع التسامح 1،3،10-12. تم الإبلاغ عن مثل هذه الأنماط المناخية المتقلبة لتكون انعكاسا مباشرا لتغير المناخ الجاري، ومن المتوقع أن يكون نمط الطقس مشترك لفوريسالمستقبل eeable 13. والجهود الرامية إلى توفير تقنيات إدارة اقتصادية وفعالة وصديقة للبيئة أو المواد الكيميائية الزراعية التي يمكن أن توفر زيادة التسامح الصقيع نجاح محدود لمجموعة من الأسباب ولكن هذا يمكن أن يعزى ذلك جزئيا إلى الطبيعة المعقدة لتجميد التسامح وتجميد آليات تجنب في النباتات. 14

وقد جرت العادة على تقسيم آليات التكيف المرتبطة بقاء الصقيع في النباتات إلى فئتين، تجميد التسامح وتجميد الإبطال. ويرتبط الفئة الأولى مع الآليات البيوكيميائية التي تنظمها مجموعة محددة من الجينات التي تسمح النباتات على تحمل الضغوط المرتبطة مع وجود وتأثير dehydrative من الجليد في أنسجته. في حين أن الفئة الأخيرة هي عادة، ولكن ليس وحدها، ويرتبط مع الجوانب الهيكلية للمحطة التي تحدد إذا، متى وأين أشكال الجليد في مصنع 14. على الرغم من انتشار تجنب تجميد بمثابة إعلانآلية aptive، وقد خصص القليل من الأبحاث في الآونة الأخيرة لفهم الآليات الكامنة وتنظيم تجنب التجميد. يشار إلى القارئ إلى مراجعة حديثة 15 لمزيد من التفاصيل حول هذا الموضوع.

في حين أن تشكيل الجليد في درجات الحرارة المنخفضة قد يبدو وكأنه عملية بسيطة، وتساهم العديد من العوامل في تحديد درجة الحرارة التي الجليد nucleates في أنسجة النبات وكيفية انتشاره داخل المصنع. يمكن المعلمات مثل وجود خارجي والجليد جوهري nucleators، غير المتجانسة مقابل الأحداث التنوي متجانسة، الحرارية التباطؤ (مضاد) البروتينات، فإن وجود من السكريات محددة وosmolytes الأخرى، ومجموعة من الجوانب الهيكلية من النبات جميع تلعب كبيرة دور في عملية التجميد في النباتات. بشكل جماعي، هذه المعايير تؤثر درجة الحرارة التي يتجمد النبات، حيث يبدأ الجليد وكيف أنها تنمو. ويمكن أن يؤثر أيضا على مورفولوجية بلورات الثلج الناتجة عن ذلك.وقد استخدمت أساليب مختلفة لدراسة عملية التجميد في النباتات تحت ظروف المختبر، بما في ذلك التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) 16، والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) 17، البرد المجهر 18-19، ودرجات الحرارة المنخفضة المجهر الإلكتروني (LTSEM ) 20 تجميد النباتات الكاملة في إعدادات المختبرية والميدانية، ومع ذلك، فقد تم رصدها بشكل رئيسي مع المزدوجات الحرارية. ويستند استخدام المزدوجات الحرارية لدراسة تجميد على تحرير الحرارة (حرارة الانصهار) عندما يمر الماء مرحلة انتقالية من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة. ثم يتم تسجيل تجميد كحدث طارد للحرارة. 21-23 على الرغم من المزدوجات الحرارية هي طريقة نموذجية من خيار في دراسة التجمد في النباتات، واستخدامها لديها الكثير من القيود التي تحد من كمية المعلومات التي تم الحصول عليها خلال الحدث التجمد. على سبيل المثال، مع المزدوجات الحرارية فمن الصعب المستحيل تقريبا لتحديد أين يبدأ الجليد في النباتات، وكيف ينتشر،إذا كان ينتشر بمعدل حتى، وإذا بقيت بعض الأنسجة خالية من الجليد.

التقدم في عالية الدقة الحراري بالأشعة تحت الحمراء (HRIT) 24-27، ومع ذلك، فقد زادت بشكل كبير من القدرة على الحصول على المعلومات حول عملية التجميد في مصانع بأكملها، خصوصا عند استخدامها في وضع التصوير التفاضلية. 28-33 وفي هذا التقرير، ونحن وصف استخدام هذه التكنولوجيا لدراسة مختلف جوانب عملية التجميد ومختلف العوامل التي تؤثر فيها، ووفي ما الجليد درجة الحرارة يبدأ في النباتات. وسيعرض البروتوكول الذي سوف تثبت قدرة الجليد التنوي النشطة (INA) بكتيريا، الزائفة syringae (CIT-7) ليكون بمثابة nucleator خارجي الشروع في تجميد نبات عشبي في العالية ودرجات الحرارة تحت الصفر.

عالية الدقة تعمل بالأشعة تحت الحمراء

البروتوكول، والأمثلة الموثقة في هذا التقرير الاستفادة دقة عالية الأشعة تحت الحمراءالاشعاع الفيديو. والاشعاع (الشكل 1) لوازم مجموعة من الصور طيف الأشعة تحت الحمراء والمرئية والبيانات درجة الحرارة. الاستجابة الطيفية للكاميرا هي في حدود 7،5 حتي 13،5 ميكرون، ويوفر 640 × 480 بكسل. صور الطيف المرئية التي تم إنشاؤها بواسطة كاميرا يمكن أن تنصهر مع IR-الصور في الوقت الحقيقي، مما يسهل تفسير المعقدة والصور الحرارية في مدمجة. وهناك مجموعة من العدسات للكاميرا يمكن أن تستخدم لجعل عن قرب والملاحظات المجهرية. ويمكن استخدام الكاميرا في وضع قائمة بذاتها، أو ربطه والتي تسيطر عليها مع جهاز كمبيوتر محمول باستخدام برنامج propietary. يمكن استخدام البرنامج للحصول على مجموعة متنوعة من البيانات الحرارية جزءا لا يتجزأ من أشرطة الفيديو المسجلة. من المهم أن نلاحظ أن مجموعة واسعة من الإشعاع الأشعة تحت الحمراء متوفرة تجاريا. وبالتالي، فمن الضروري أن الباحث مناقشة تطبيقها المقصود مع مهندس المنتج على دراية وأن الباحث اختبار قدرة أي specifiج الاشعاع لتوفير المعلومات اللازمة. يتم وضع الاشعاع التصوير المستخدمة في بروتوكول صفها في مربع الاكريليك (الشكل 2) معزول مع الستايروفوم ط ن أجل ردع التعرض لتكاثف خلال بروتوكولات التدفئة والتبريد. ليست هناك حاجة هذه الحماية لجميع الكاميرات أو التطبيقات.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. إعداد المواد النباتية

  1. استخدام أي أوراق أو نباتات كاملة من المواد النباتية الموضوع (Hosta النيابة. فاصيلوس أو الشائع).

2. إعداد حلول المياه التي تحتوي على الجليد في النواة النشطة (INA) البكتيريا

  1. ثقافة بكتيريا INA، الزائفة syringae (سلالة سيت-7) في أطباق بتري في 25 ° C على الزائفة آجار F أعدت مع 10 غرام / لتر من 100٪ الجلسرين في كل اتجاه الشركة المصنعة.
  2. بعد أن نمت الثقافات بما فيه الكفاية، ومكان في 4 درجات مئوية لحين الحاجة إليها ولكن الحفاظ على 4 درجات مئوية لمدة يومين السابقة لضمان مستوى عال من النشاط التنوي الجليد.
  3. تتخلص من البكتيريا من لوحة واحدة من سطح أجار مع البلاستيك يمكن التخلص منها أو إعادة استخدامها ملعقة معدنية في وقت الاستخدام والمكان في 10-15 مل من الماء منزوع الأيونات في 25 مل كفيت التخلص منها. يجب أن يكون التركيز في حدود 1 × 07-1 أكتوبر × 10 9 · -1. فإن الحل يبدو غائما. ليست هناك حاجة لتأكيد تركيز باستخدام عدادة الكريات أو معمل، وتركيز تحتاج فقط أن تكون تقريبية.
  4. دوامة كفيت مدة لا تقل عن 10 ثانية لتوزيع البكتيريا.
    ملاحظة: إن تركيز معين من الناتج INA خليط غير مهم وسوف بروتوكول صفها توفير أكثر من مستوى كاف من النشاط التنوي الجليد. وسيتم استخدام هذا الخليط من البكتيريا INA والماء في وقت لاحق في التجارب التنوي.

3. إعداد لتجربة التجميد

  1. وضع كاميرا الأشعة تحت الحمراء عالية الدقة (SC-660) داخل مربع الاكريليك واقية بحيث المشاريع عدسة من خلال فتحة في الجزء الأمامي من منطقة الجزاء، وأسلاك توصيل الكاميرا إلى الكمبيوتر المحمول أو الخروج تسجيل الجهاز من خلال افتتاح الخلفي من مربع . تأمين غطاء العلبة ووضع مربع داخل الغرفة البيئية أو المجمد في الموقع الذي سوف جميعآه المواد النباتية موضوع أن ينظر إليها.
    1. توفير الخلفية الداكنة حول المواد النباتية التي تبطن جدران الغرفة مع ورقة البناء السوداء لمنع التدخل من الطاقة تنعكس الأشعة تحت الحمراء.
    2. تناسب غرفة مع إضاءة LED للحد من التدفئة من مصدر الضوء عند تسجيل الصور في الأطوال الموجية المرئية هو مطلوب. سوى الحد الأدنى من الإضاءة، مثل ضوء خزانة يعمل بواسطة بطارية أو جهاز LED صغير، مطلوب للنباتات لتكون مرئية بواسطة الكاميرا.
      1. مرة واحدة يتم أخذ الصور المرئية من المواد النباتية الموضوع، إيقاف تشغيل الإضاءة LED. توزيع كافة الاتصالات السلكية الخارجية (اتصال فايرواير إلى جهاز الكمبيوتر، وسلك الكهرباء، الخ) إلى الكاميرا عبر منفذ أو فتح آخر في الغرفة.
    3. ملء أي مساحة إضافية في ميناء أو فتح مع العازلة المواد الرغوية لتجنب أو تقليل التدرجات درجة الحرارة داخل الغرفة. ضبط درجة الحرارة الأولية للغرفة في 1 ° C.
  2. محاذاة النباتات أو أجزاء النبات بحيث المواد النباتية هي في مجال الرؤية للكاميرا والمواد النباتية غير مرئية على شاشة عرض عن بعد أو في داخل البرنامج الذي تم اختياره.
  3. السماح النباتات لكي تتوازن في 1 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة إلى 1 ساعة، اعتمادا على حجم المواد النباتية، وذلك قبل الشروع في تجربة التجميد التي تسيطر عليها. وهذا يضمن أن درجة حرارة المحطة لن تتخلف عن درجة حرارة الهواء من قبل العديد من درجات مرة واحدة يتم بدء التجربة التجمد. ويتم تحقيق موازنة عندما تكون درجة الحرارة من المواد النباتية هي تقع ضمن نطاق 0.5 ° C درجة حرارة الهواء.
    1. وضع طبقة من العزل الستايروفوم على الجزء العلوي من التربة لنباتات الأصص إذا تم استخدام النباتات بوعاء. مرة واحدة وقد معايرتها النباتات، وتبدأ تبريد الغرفة.
      ملاحظة: طبقة العزل على سطح التربة في وعاء يقلل من كمية استمرار فقدان الحرارة من وعاء إلى الهواء المحيط المصنع، ويمنع الجذور من الصحائفezing، وهذا لن يحدث عادة خلال الحدث الصقيع في الطبيعة نظرا لخزان ضخم من المتبقي الحاضر الحرارة في التربة.
  4. تعيين المعلمات كاميرا المطلوب (لوحة الألوان، تتراوح درجة الحرارة، مجالات محددة من الفائدة، وما إلى ذلك)، كما نوقش في 3.4.1-3.4.4.
    1. حدد لوحة قوس قزح لعرض تغيرات درجة الحرارة أثناء عرض صورة حية.
    2. تعيين فترة درجة الحرارة إلى 5 درجات مئوية خلال تعديل شريط درجة الحرارة تقع أسفل الصورة في البرنامج.
    3. اختيار مقياس خطي (خوارزمية) لتحويل البيانات بالأشعة تحت الحمراء في الصورة اللون كاذبة على النحو المحدد في لوحة مختارة (قوس قزح) وضبط نطاق درجة الحرارة إلى 5 ° C وتتبع تلقائيا استنادا إلى صورة. بدلا من ذلك، ضبط نطاق مجموعة يدويا أثناء إجراء التجربة.
      1. استخدام درجة حرارة نقطة معينة أو يبلغ متوسط ​​درجة الحرارة داخل منطقة محددة من الفائدة التي يقدمها تحديثات برامج المزودهي. استرداد البيانات درجة حرارة جميع بكسل من تسلسل الفيديو المسجل أو من المعلومات المضمنة في ملف الصورة. ويبين الشكل 3 لقطة نموذجية من داخل البرنامج ResearchIR.
    4. ضع المؤشر على موقع على الأنسجة النباتية التي تمثل نقطة محددة من الفائدة. تحديد مجال الاهتمام كنقاط (1 -3 بكسل في الحجم)، وصناديق، وخطوط، والحذف، أو دوائر. مجموعات متعددة من النقاط أو الأشكال يمكن أن يكون موجودا فوق الصورة.
  5. تسجيل تسلسل الفيديو
    1. ضبط الكاميرا لتسجيل عند تردد 60 هرتز وللتسجيل ليتم إيقاف يدويا.
    2. إشارة إلى موقع على الكمبيوتر أو محرك أقراص خارجي حيث سيتم وضع ملف الفيديو المسجل.
    3. بدء التسجيل.
      ملاحظة: تسجيل لقرص صلب خارجي ينصح بشدة حيث سيتم إنشاء ملفات الفيديو الكبيرة. ملفات الفيديو المسجلة يمكن تحريرها في وقت لاحق لاحتواء فقط الجزء الذي يحتوي على نيمعلومات cessary. وهذا سوف يقلل كثيرا من حجم الملف.
    4. خفض درجة حرارة الغرفة تدريجيا بنسبة 0.5 -1.0 ° C. الانتظار حتى equilibrates درجة حرارة النبات مع درجة حرارة الهواء ومن ثم خفض درجة الحرارة مرة أخرى عن طريق 0،5-1،0 درجة مئوية. اعتمادا على كتلة من الأنسجة النباتية التي لوحظ والتشكل، ويمكن موازنة تأخذ 10-15 دقيقة. وهكذا، مما يعطي معدل التبريد من حوالي 4 ° C / ساعة.
    5. تستمر على هذا المنوال حتى يتجمد المصنع ويتم الانتهاء من الملاحظات. إنهاء التسجيل عندما تم الانتهاء من عملية التجميد.
      ملاحظة: تمت معايرتها والأنسجة النباتية مع درجة حرارة الهواء عندما المواد النباتية والخلفية هي نفس اللون لأنها في نفس درجة الحرارة. منذ الحرارة الخلفية ودرجة حرارة الأنسجة النباتية هي نفسها، قد يكون من الصعب تصور المواد النباتية إلى أن خفض درجة الحرارة مرة أخرى، وهناك درجة الحرارة الفرق بين الأنسجة النباتية ودرجة حرارة الأشعة تحت الحمراء.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

النشاط الايس نواة لمن الثلج + البكتيريا، الزائفة syringae (سلالة سيت-7)

انخفاض 10 ميكرولتر من الماء و 10 ميكرولتر من المياه التي تحتوي على P. syringae وضعت (CIT-7) على سطح مجافي المحور من ورقة Hosta (Hosta النيابة.) (الشكل 4). كما هو موضح، وقطرة من المياه التي تحتوي على البكتيريا INA جمدت الأول وكان مسؤولا عن حمل ورقة تجميد في حين بقي قطرة من الماء على سطح ورقة رفع التجميد.

تجميد ونشر الجليد في مصنع ودي

يوضح الشكل (5) كلا بدء الجليد وانتشار الجليد في جذع من خشب البلوط (البلوط ROBUR). وقد بدأ تشكيل الجليد في الأوعية الدموية منطقة اللحاء طبقة الكامبيوم من جذع ونشر محيطي حول الجذع. معدل انتشار الجليد في مصنع الخشبية ينبع هو أكبر بكثير في الاتجاه الطولي مما كانت عليه في الوحشي وcircumfe31 الاتجاه rential.

معدلات الجليد الانتشار والحواجز التي تحول دون نشر الجليد

وقد بدأ الجليد في ساق نبات الفول (P. الشائع) في الموقع الذي كانت قد وضعت البكتيريا INA (الشكل 6A، السهم). في أعقاب الحدث تجميد الأولي، نشر الجليد إلى أعلى وأسفل الساق (الشكل 6B-C). باستخدام تسلسل الفيديو، التي لديها الطابع الزمني، وقياس المسافة على الجذع، تمكن واحد لحساب معدل انتشار الجليد على مسافة معينة. الرسم البياني في الشكل 6 يعرض معدل انتشار الجليد يصل تنبع من نبات الفول من وجهة تجميد الأولي ويوضح انخفاض معدل انتشار الجليد مع مرور الجليد من خلال المنطقة العقدية للنبات. باستخدام الأشعة تحت الحمراء الحراري كما يسمح احد لتحديد وجود أي الحواجز المادية التي تحول دون انتشار الجليد في أنسجة معينة الشكل 7 </ قوي> يوضح تجميد في الأنواع جبال الألب، procumbens Loiseleuria، حيث (الساق والأوراق) الجزء الخضري من النبات جمدت لكن تبقى براعم الزهور محطة رفع التجميد. لم تشكيل الجليد لا يحدث حتى 126-164 دقيقة بعد تجميد الساق والأوراق قد وقعت وكانت استجابة الطاردة للحرارة الناتجة تبدد. كما يطلق النار الإنجابية من الأنواع الخشبية جبال الألب وتجميد حساسة 3،33، تجميد تجنب الأهمية بمكان لنجاح الإنجاب.

قدرة الحواجز مسعور لتجميد كتلة خارجي الجليد في النواة المستحثة

والمغلفة نبات الطماطم (مغد قوطة) بمادة القائم على الكاولين مسعور (الشكل 8A) من أجل تحديد ما إذا كان حاجز مسعور يمكن منع خارجي التنوي الجليد بفعل التجمد. كانت درجة الاتصال قطرات من السائل مع سطح الورقة أكبر بكثير في أوراق غير المصقول ( (الشكل 8C). كما هو موضح في الشكل 8D والنباتات غير المصقول (يمين) أظهرت حدث الطاردة للحرارة نموذجية لحدث التجميد، في حين أن النباتات المغلفة (يسار) ظل رفع التجميد وفائق التبريد إلى حوالي -6،0 درجة مئوية. تفاصيل هذه التجارب يمكن العثور عليها في Wisniewski وآخرون. 34 وقد لوحظ وجود اتجاه لأكبر للا مائية في بنية ورقة من الأنواع النباتية المحلية على طول التدرج الارتفاعي التي كتبها أريال وNEUNER 35

الشكل 1
الشكل 1. عالية الدقة الأشعة تحت الحمراء الإشعاع. هذا النموذج هو موضح هو كاميرا FLIR SC-660 الأشعة تحت الحمراء فيديو.

الرقم 2
الرقم 2. الضميمة الواقية للكاميرا الأشعة تحت الحمراء. يتم استخدام مربع الاكريليك لإيواء الكاميرا ومنع التكثيف من تشكيل على كاميرا الأشعة تحت الحمراء أثناء التجميد والتجارب الذوبان. (A) مربع مع ​​إزالة أعلى. (B) كاميرا إدراجها في مربع الاكريليك وأغلق الغطاء.

الشكل (3)
الشكل 3. عرض وتحليل صور الأشعة تحت الحمراء البعيد وكاميرا للمراقبة. قطة شاشة من برنامج ResearchIR. يستخدم البرنامج لعرض الصورة الحية، قم بتغيير إعدادات الكاميرا، سجل صور واحدة، وجعل تسجيلات الفيديو، وتحليل البيانات درجة الحرارة في الصور. إدراج في معارض الحق خيارات لتغيير إعدادات الكاميرا أثناء إدراج في أسفل اليسار يظهر الرسم البياني درجة حرارة صورة حية.

الرقم 4 الرقم 4. التنوي خارجي تجميد الناجم عن Hosta ورقة (Hosta النيابة.). قطرات رفع التجميد من الماء والبكتيريا INA، الزائفة syringae (سلالة سيت-7)، موجودة على سطح مجافي المحور من ورقة (A). INA قطرة يتجمد لأول مرة (B)، وتبادر الى تجميد ورقة (C). ينتشر في جميع أنحاء الجليد ورقة (D) وعلى الرغم من تجميد ورقة، تبقى قطرات المياه المجمده (E). قطرات من الماء على سطح ورقة يتجمد بعد ورقة كاملة جمدت وبدأ يبرد في أطرافها (F).

الرقم 5
الرقم 5. بدء الجليد ونشر في جذع نبات الخشبية (بلوط ROBUR) لوحة اليسار: المقطع العرضي للساق خشبية من خشب البلوط. (ه) الشروع في تجميد الحدث في منطقة اللحاء وطبقة الكامبيوم الوعائي (A) وتطور تشكيل الجليد في جميع أنحاء الجذعية (B - H). Kuprian وNEUNER، غير منشورة.

الشكل (6)
الرقم 6. معدل انتشار الجليد في مصنع الفول (فاصيلوس الشائع) المحسوبة باستخدام عالية الدقة الحراري بالأشعة تحت الحمراء. (A) الثلج التي بدأت في الجذعية (السهم). (B - C) انتشار الجليد إلى أعلى وأسفل الساق. الرسم البياني في أعلى الشكل يعرض سافر معدل انتشار الجليد كما عرضت الجليد بعد مرور الوقت كما صعد الجذعية من الموقع الأصلي للتجميد. وهناك تأخير في الاولحدث انتشار م حيث انتقل الجليد من خلال الجزء العقدي من جذع النبات. تم تعديل هذا الرقم من Wisniewski وآخرون 24

الرقم 7
الرقم 7. الحاجز إلى تشكيل الجليد في مصنع الخشبية جبال الألب، procumbens Loiseleuria (الأزالية جبال الألب). (A) صورة الضوء المرئي من جذع الأزالية جبال الألب تبين الجذعية المركزي والأوراق المرفقة، والبراعم الطرفية. يبدأ - (B C) تجميد في جذع والجليد يكاثر بها إلى الأوراق. لا تزال البراعم الطرفية رفع التجميد. (D - E) البراعم الطرفية تجميد مستقل 126-164 دقيقة بعد تجميد الأولي من الساق والأوراق. خلال هذا الوقت حرارة المحتوى الحراري التي تنتجها تجميد الساق والأوراق وتبدد بالفعل. Kuprian وNEUNER، شnpublished.

الرقم 8
الرقم 8. الحواجز مسعور كتلة خارجي التنوي الناجم عن تجميد الطماطم (مغد lycopersicon). (A) مادة القائم على الكاولين مسعور تطبيقها على نباتات الطماطم. (B - C). انخفاض مستوى الاتصال بين سطح ورقة وقطرات من السائل التي تحتوي على البكتيريا INA على المغلفة (B) مقابل غير المصقول (C) الأوراق. (D) مصنع غير المطلية (يمين) يخضع استجابة الطاردة للحرارة المرتبطة تجميد النبات بينما يبقى النبات المغلفة فائق التبريد، ورفع التجميد في حوالي -6 ° C. تم تعديل هذا الرقم من Wisniewski وآخرون 34

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

الماء لديه القدرة على التبريد الفائق لدرجات حرارة أقل بكثير من 0 درجة مئوية ودرجة حرارة المياه التي ستجمد يمكن أن تكون متغيرة تماما. 36 الحد الأقصى لدرجات الحرارة والبرودة الفائقة من الماء النقي حوالي -40 ° C ويتم تعريف كنقطة التنوي متجانسة. عندما يتجمد الماء عند درجات حرارة أكثر دفئا من -40 ° C يتم تحقيقه عن طريق وجود متغاير المنشأ nucleators التي تمكن الأجنة الثلج الصغيرة لتشكيل أي بعد ذلك بمثابة حافز لتشكيل الجليد والنمو. 37 وهناك العديد من الجزيئات في الطبيعة التي بدور فعال جدا وكلاء نواة لالجليد، وبالتالي الأكثر تجمد الماء في الطبيعة يحدث في درجات حرارة أقل بقليل من 0 درجة مئوية. القدرة على تنظيم أو التأثير على النشاط وكلاء نواة لغير متجانس لديها امكانات كبيرة باعتبارها نهجا جديدا لتوفير الحماية الصقيع على النباتات. فهم كيفية تشكل الجليد وتنتشر في تجميد النباتات الحساسة وتجميد متسامح لا بد من ميلانhieving هذا الهدف.

كما هو مبين في المقدمة، وقد استخدمت أساليب مختلفة لدراسة عملية التجميد في النباتات تحت ظروف المختبر، ولكن بصورة رئيسية تم رصد تجميد النباتات في الطبيعة مع استخدام المزدوجات الحرارية. عالية الدقة الحراري بالأشعة تحت الحمراء (HRIT) 24-28،34، ويوفر مزايا عدة متميزة كوسيلة لدراسة عملية التجميد في النباتات. HRIT يسمح احد لمراقبة الموقع الأولي لتشكيل الجليد، وعدد من تجميد الأحداث اللازمة لتجميد مصنع بأكمله، يلاحظ في الواقع كيف يتم نشر الجليد في محطة وإذا كان أي عوائق انتشار الجليد موجودة، وتحديد ما إذا كان أي أجزاء من تبقى مصنع الثلج مجانا. الأهم من ذلك، يسمح احد لمراقبة عملية التجميد في مصانع بأكملها وليس، أجزاء صغيرة معزولة من النباتات التي تم إزالتها من النبتة الأم.

ويعرض هذا التقرير على تطبيق HRIT لدراسة فريزكيف يتم نشر الجليد جي في النباتات سليمة أو أجزاء النبات، ويقدم العديد من الأمثلة على الكيفية التي يمكن أن تستخدم هذه التكنولوجيا لدراسة العديد من العوامل التي يمكن أن تؤثر على كيف ومتى أشكال الجليد في النباتات، و. الجوانب الهامة لهذه الدراسات تنطوي على حساسية ودقة كاميرا الأشعة تحت الحمراء، والمعايير المستخدمة في الإعداد للكاميرا وتسجيل تسلسل الفيديو، ومعدل التبريد، و/ التعقيد الصرفي الهيكلي للموضوع يتم عرضها، والمعرفة علوم الأشعة تحت الحمراء. وسيتم تناول هذه العناصر بشكل فردي.

حساسية ودقة كاميرا الأشعة تحت الحمراء (الاشعاع)

الأحداث الطاردة للحرارة أثناء التجميد من الأنسجة النباتية التي يتم تصور صغيرة جدا، بدءا من <0.1 إلى 0.5 درجة مئوية. لذلك يجب أن تكون كاميرا الأشعة تحت الحمراء حساسة بما يكفي للتمييز بسهولة تغييرات طفيفة في درجات الحرارة. دقة درجة الحرارة أيضا جانبا هاما ويتطلب أن الكاميرا يتم معايرة على أساس منتظم (مرة واحدة في السنة على الأقل). في حين أن هذا يمكن أن يتم من قبل المستخدم، فإنه يتطلب استخدام عدة هيئات سوداء تغطي مجموعة واسعة من درجات الحرارة. وبالتالي، فمن الأفضل أن يكون الكاميرا معايرة المصنع. إذا كان مستوى عال من الدقة درجة الحرارة ضروري للغاية، فإنه ينصح بشدة أن الحرارية يمكن استخدامها في الاقتران مع كاميرا الأشعة تحت الحمراء. هذا يمكن تركيبه قرب الكائن قيد الدراسة لاعطاء تقدير دقيق لدرجة حرارة الهواء.

المعلمات الكاميرا

وهناك مجموعة كبيرة من المعلمات ويمكن تعديل على المتقدمة، الراقية كاميرات الأشعة تحت الحمراء. في استخدام الكاميرا لعرض و / أو تسجيل تجميد الأحداث، من المهم أن تستخدم تلك الصورة المتوسط ​​من أجل الحد من صورة صاخبة، مما يجعل من الاسهل لتصور أجزاء النبات وتجميد الأحداث. يحدث الصورة المتوسط ​​عند تحديد صورة ذات جودة عالية في ضبط الكاميرا. منذ طفيفة تجميد exothermومن المتوقع، ق المهم أيضا عند عرض عملية التجميد لتعيين فترة تيمبيرتوري للكاميرا لتغطية مجموعة صغيرة في درجة الحرارة (2-5 ° C). هناك حاجة إلى هذا لأن البرنامج سوف يوزع البليت اللون المحدد على مدى فترة كاملة المحددة للكاميرا. لذا، إذا كان هناك 10 لونا في البليت واحد لديه فترة لتعيين 100 ° C، لن يكون لها سوى تغير في اللون إذا كان هناك 10 ° C التغير في درجة الحرارة. وينبغي استخدام معدل التقاط عالية (عشرة لقطة في الثانية) بحيث لا يتم غاب الأحداث الطاردة للحرارة الصغيرة، التي تبدد بسرعة. يمكن اختيار لوحات الألوان المختلفة وجداول رمادي من القائمة المنسدلة. وينبغي أن يستند اختيار لوحة أنسب حول ما إذا كان أو لم يكن يوفر الخيار الأفضل لتصور الأحداث الحرارية من الفائدة. تقدم الكاميرات المتقدمة أيضا العديد من الخيارات لتسجيل تسلسل الفيديو و / أو التقاط الصور واحدة. يمكن تحديد عدد معين من الإطارات على مدى فترة زمنية محددة.هذا هو أفضل لتسلسل تسجيل لمدة قصيرة (دقيقة) بدلا من ساعات. بدلا من ذلك، عدد الإطارات في الثانية يمكن الإشارة إلى والكاميرا تعيين إلى إيقاف التسجيل يدويا أو بعد عدد معين من الإطارات. الكاميرات المتقدمة أيضا عرض خيار للحصول على تسجيلات لبدء أو نهاية على أساس مشغلات محددة مسبقا (درجة الحرارة أو الوقت).

معدل التبريد

من المهم أن درجة حرارة المواد النباتية يتم عرضها لا تختلف بشكل كبير من درجة حرارة الهواء أثناء التبريد. إذا تم خفض درجة الحرارة بسرعة كبيرة جدا، ومحطات التبريد الفائق وتجمد عند درجة حرارة الهواء أقل مما لو كانوا تحت معدلات التبريد الطبيعية. يوصي معظم الدراسات معدل التبريد من 1-2 ° C ساعة -1، وخاصة في درجات الحرارة فوق -5 ° C، والتي توفر وقتا كافيا للنباتات أن يأتي إلى التوازن مع درجة حرارة الجو. في واقع الأمر، قد يأتي المواد النباتية إلى التوازن أسرع بكثير. هذايمكن تحديده من خلال المقارنة بين درجة حرارة المواد النباتية مع درجة حرارة الخلفية حول المصنع. إذا كان المصنع في حالة توازن، وسوف يكون من الصعب تمييز النبات من خلفيتها في صورة الأشعة تحت الحمراء لأنها سوف تكون على نفس درجة حرارة الخلفية والصورة سوف تظهر لتكون متجانسة تقريبا في اللون.

الهيكلي تعقيد الصرفي للكائن يتم عرضها

منذ الصور التي ينظر تمثل صورا لدرجات الحرارة، فإن الكائنات التي تتداخل تظهر ككائنات متجاورة بدلا من كائنات منفصلة. هذا يمكن أن يجعل المميزين حيث تجميد الأحداث التي تحدث بشكل صعب للغاية، وكذلك زيادة الصعوبة في تحديد الكيفية التي يتم بها نشر الجليد في المصنع. أفضل طريقة للتعامل مع هذه المشكلة لأول عمل مع أشياء بسيطة (أوراق فرد، وينبع، وما إلى ذلك) ومن ثم بناء ما يصل الى كائنات أكثر تعقيدا. الخبرة في العمل مع أماه محددالبكتيرية له قيمة كبيرة في التعامل مع هذه المشكلة. بالإضافة إلى ذلك، فإن القدرة على تراكب صورة الأشعة تحت الحمراء على قمة رقمية، صورة الضوء المرئي يمكن أيضا أن يساعد كثيرا في تحليل وفهم البيانات بالأشعة تحت الحمراء.

المعرفة من علوم الأشعة تحت الحمراء

على الرغم من أنه سيكون من المفيد أن تكون قادرة على مجرد نقطة الكاميرا في كائن ومعرفة أن البيانات الواردة في درجة الحرارة هي دقيقة بنسبة 100٪، وفهم كيف تتفاعل الأشعة تحت الحمراء الطاقة مع بيئته يمكن أن تزيد إلى حد كبير تلك التي تفهم أفضل طريقة لاستخدام البحوث الصف كاميرات الأشعة تحت الحمراء وتفسير البيانات. ينبغي للمرء أن تصبح مألوفة إلى حد ما مع شروط الابتعاثية، الانعكاس، والامتصاصية. بالنسبة للجزء الاكبر، ويمكن استخدام الكاميرا دون الحاجة إلى القلق حول هذه المعلمات، ومع ذلك، فإنها يمكن أن تساعد على شرح طبيعة الصورة التي يتم عرضها و جودته الشاملة ودقة. لفترة وجيزة، عندما يضرب طاقة الأشعة تحت الحمراء كائن يمكن أن يكون إما صeflected أو امتصاصها ثم المنبعثة. طبيعة الكائن قيد الدراسة، لذلك، يمكن أن تؤثر على دقة البيانات التي وردت. إذا كان كائن له انعكاس عالية، واحدة تتلقى صورة أكثر تمثيلا من الكائنات المحيطة التي تنبعث منها طاقة الأشعة تحت الحمراء من الكائن نفسه. امتصاص طاقة الأشعة تحت الحمراء بدون انبعاث طاقة الأشعة تحت الحمراء يمكن أن يؤدي أيضا إلى الحصول على بيانات كاذبة من درجة حرارة الجسم التي تجري دراستها. أجهزة الاستشعار كاميرا كشف تنبعث طاقة الأشعة تحت الحمراء، لذلك، يتم الحصول على درجات الحرارة أدق من الكائنات التي لديها مستوى عال من الابتعاثية. لحسن الحظ، لا النباتات لديها مستوى عال من الابتعاثية السماح قياسات دقيقة لدرجات الحرارة. انخفاض مستويات الابتعاثية يمكن تعويضها عن طريق ضبط هذه المعلمة في إعدادات الكاميرا التي سوف ثم استخدام خوارزمية لإجراء التعديل المناسب في قراءات درجة الحرارة.

القدرة على تحديد بدقة كيف ومتى النباتات تجميدأمر ضروري لفهم تطور آلية تجميد تجنب ودور هيكل النبات في عملية التجميد. تجميد، رغم بساطته الظاهرة، هو عملية معقدة وتطورت النباتات مجموعة من التعديلات الهيكلية لتجنب التجميد، تجزئة تشكيل الجليد، ومنع انتشار الجليد. عالية الدقة الحراري بالأشعة تحت الحمراء هي رواية وأداة قوية التي يمكن استخدامها لدراسة مدى تعقيد عملية التجميد في النباتات ويؤدي إلى تطوير طرق جديدة فعالة لحماية الصقيع. فهم أفضل للتجميد تجنب يمكن أن تساعد أيضا لنا أن نفهم كيف تطورت هذه الآليات على التكيف، والدور الذي تلعبه في علم الأحياء وبقاء الأنواع النباتية المختلفة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم مصالح أو تضارب في المصالح المالية المتنافسة.

Acknowledgments

وقد تم تمويل هذا البحث من قبل صندوق العلوم النمساوية (FWF): P23681-B16.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Taschler, D., Beikircher, B., Neuner, G. Frost resistance and ice nucleation in leaves of five woody timberline species measured in situ during shoot expansion. Tree Physiol. 24, 331-337 (2004).
  2. Neuner, G., Hacker, J. Ice formation and propagation in alpine plants. Plants in alpine regions: Cell Physiology of adaptation and survival strategies. Lütz, C. , Springer. 163-174 (2012).
  3. Ladinig, U., Hacker, J., Neuner, G., Wagner, J. How endangered is sexual reproduction of high-mountain plants by summer frosts? - Frost resistance, frequency of frost events and risk assessment. Oecologia. 171, 743-760 (2013).
  4. Wisniewski, M. E., Gusta, L. V., Fuller, M. P., Karlson, D. Ice nucleation, propagation and deep supercooling: the lost tribes of freezing studies. Plant Cold Hardiness: from the laboratory to the field. Gusta, L. V., Wisniewski, M. E., Tanino, K. K. , CAB International. 1-11 (2009).
  5. Bokhurst, S., Bjerke, J. W., Davey, M. P., Taulavuori, K., Taulavuori, E., Laine, K., Callaghan, T. V., Phoenix, G. K. Impacts of extreme winter warming events on plant physiology in a sub-Arctic heath community. Physiol. Plant. 140, 128-140 (2010).
  6. Taulavuori, K., Laine, K., Taulavuori, E. Experimental studies on Vaccinium myrtillus.and Vaccinium vits-idea.in relation to air pollution and global change at northern high latitudes: A review. Env. Exp. Bot. 87, 191-196 (2013).
  7. Wisniewski, M., Glenn, D. M., Gusta, L., Fuller, M. Using infrared thermography to study freezing in plants. HortScience. 43, 1648-1651 (2008).
  8. Gu, L., et al. The 2007 eastern US spring freeze: increased cold damage in a warming world. BioScience. 58, 253-262 (2008).
  9. Augspurger, C. K. Spring warmth and frost: phenology, damage, and refoliation in a temperate deciduous forest. Func. Ecol. 23, Spring. 1031-1039 (2007).
  10. Neuner, G., Erler, A., Hacker, J., Ladinig, U., Wagner, J. Frost resistance of reproductive tissues in various reproductive stages of high alpine plant species. Physiol. Plant. 147, 88-100 (2013).
  11. Skre, O., Taulavuori, K., Taulavuori, E., Nilsne, J., Igeland, B., Laine, K. The importance of hardening and winter temperature for growth in mountain birch populations. Env. Exp. Bot. 62, 254-266 (2008).
  12. Hänninen, H., Tanino, K. Tree seasonality in a warming climate. Trends in Plant Science. 16, 412-416 (2011).
  13. Katz, R. W., Brown, B. G. Extreme events in a changing climate: variability is more important than averages. Climate Change. 21, 289-302 (1992).
  14. Wisniewski, M., Gusta, L. Understanding plant cold hardiness: an opinion. Physiol. Plant. 147, 4-14 (2013).
  15. Wisniewski, M., Gusta, L., Neuner, G. Adaptive mechanisms of freeze avoidance in plants. A brief update. Env. Exp. Bot. 99, 133-140 (2014).
  16. Burke, M. J., Gusta, L. V., Quamme, H. A., Weiser, C. J., Li, P. H. Freezing and injury in plants. Annu. Rev. Plant Physiol. 27, 507-528 (1976).
  17. Ishikawa, M., Price, W. S., Ide, H., Arata, Y. Visualization of freezing behaviors in leaf and flower buds of full-moon maple by nuclear magnetic resonance microscopy. Plant Physiol. 115 (4), 1515-1524 (1997).
  18. Ishikawa, M., Sakai, A. Characteristics of freezing avoidance in comparison with freezing tolerance: a demonstration of extra-organ freezing. Plant cold hardiness and freezing stress. Li, P. H., Sakai, A. , Academic Press. 325-340 (1982).
  19. Buchner, O., Neuner, G. Freezing cytorrhysis and critical temperature thresholds for photosystem II in the peat moss Sphagnum capillifolium. Protoplasma. 243 (1), 63-71 (2010).
  20. Pearce, R. S. Extracellular ice and cell shape in frost-stressed cereal leaves: A low temperature scanning electron microscopy study. Planta. 175, 313-324 (1988).
  21. Ashworth, E. N., Anderson, J. A., Davis, G. A., Lightner, G. W. Ice formation in Prunus persica. under field conditions. J. Am. Soc. Hort. Sci. 110 (3), 322-324 (1985).
  22. Ashworth, E. N., Davis, G. A. Ice formation in woody plants under field conditions. HortSci. 21, 1233-1234 (1986).
  23. Pramsohler, M., Hacker, J., Neuner, G. Freezing pattern and frost killing temperature of apple (Malus domestica.) wood under controlled conditions and in nature. Tree Physiol. 32 (7), 819-828 (2012).
  24. Wisniewski, M., Lindow, S. E., Ashworth, E. N. Observations of ice nucleation and propagation in plants using infrared video thermography. Plant Physiol. 113 (2), 327-334 (1997).
  25. Lutze, J. L., et al. Elevated atmospheric [CO2] promotes frost damage in evergreen tree seedlings. Plant Cell Environ. (6), 631-635 (1998).
  26. Ball, M. C., et al. Space and time dependence of temperature and freezing in evergreen leaves). Func. Plant Biol. 29 (11), 1259-1272 (2002).
  27. Sekozawa, Y., Sugaya, S., Gemma, H. Observations of ice nucleation and propagation in flowers of Japanese Pear (Pyrus Pyrifolia). Nakai) using infrared video. 73 (1), 1-6 (2004).
  28. Hacker, J., Neuner, G. Ice propagation in plants visualized at the tissue level by IDTA (infrared differential thermal analysis). Tree Physiol. 27, 1661-1670 (2007).
  29. Hacker, J., Neuner, G. Ice propagation in dehardened alpine plant species studied by infrared differential thermal analysis (IDTA). Arc. Antarc. Alp. Res. 40 (4), 660-670 (2008).
  30. Hacker, J., Spindelböck, J., Neuner, G. Mesophyll freezing and effects of freeze dehydration visualized by simultaneous measurement of IDTA and differential imaging chlorophyll fluorescence. Plant Cell Environ. 31, 1725-1733 (2008).
  31. Neuner, G., XU, B., Hacker, J. Velocity and pattern of ice propagation and deep supercooling in woody stems of Castanea sativa., Morus nigra. and Quercus robur. measured by IDTA. Tree Physiol. 30, 1037-1045 (2010).
  32. Hacker, J., Ladinig, U., Wagner, J., Neuner, G. Inflorescences of alpine cushion plants freeze autonomously and may survive subzero temperatures by supercooling. Plant Sci. 180, 149-156 (2011).
  33. Kuprian, E., Briceno, V., Wagner, J., Neuner, G. Ice barriers promote supercooling and prevent frost injury in reproductive buds, flowers and fruits of alpine dwarf shrubs throughout the summer. Env. Exp. Bot. 106, 4-12 (2014).
  34. Wisniewski, M., Glenn, D. M., Fuller, M. Use of a hydrophobic particle film as a barrier to extrinsic ice nucleation in tomato plants. HortScience. 127, 358-364 (2002).
  35. Aryal, B., &Neuner, G. Leaf wettability decreases along an extreme altitudinal gradient. Oecologia. 162, 1-9 (2010).
  36. Wisniewski, M., Fuller, M. P. Ice nucleation and deep supercooling in plants: new insights using infrared thermography. In: Cold adapted organisms. Ecology, physiology, enzymologyandmolecularbiology. Margesin, R., Schinner, F. , Springer. 105-118 (1999).
  37. Franks, F. Biophysics and biochemistry at low temperatures. , Cambridge University Press. (1985).
  38. Neuner, G., Kuprian, E. Infrared thermal analysis of plant freezing processes. Methods in Molecular Biology: Plant Cold Acclimation. Hincha, D., Zuther, E. , Springer. 91-98 (2014).

Tags

العلوم البيئية، العدد 99، تجميد الابطال، والبرودة الفائقة، التنوي الجليد البكتيريا النشطة والتسامح الصقيع، بلورة الثلج والبروتينات التجمد، التنوي جوهري، التنوي خارجي، التنوي غير المتجانس، التنوي متجانسة، تحليل التباين الحراري
استخدام عالية الدقة الأشعة تحت الحمراء الحراري (HRIT) لدراسة الجليد في النواة والجليد نشر في النباتات
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wisniewski, M., Neuner, G., Gusta,… More

Wisniewski, M., Neuner, G., Gusta, L. V. The Use of High-resolution Infrared Thermography (HRIT) for the Study of Ice Nucleation and Ice Propagation in Plants. J. Vis. Exp. (99), e52703, doi:10.3791/52703 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter