植物の氷核と氷伝播の研究のための高解像度赤外線サーモグラフィ（HRIT）の使用
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
植物が活発に増殖している場合に発生する凍結温度は、植物がほとんど、あるいは全く凍結耐性を持っている場合は特に、致死することができます。このような霜のイベントは、多くの場合、農業生産に壊滅的な影響を持っていると、特に高山、サブ北極および北極の生態系1-6に、植物の自然集団におけるコミュニティ構造を形成する上で重要な役割を果たすことができます。深刻な春の霜のエピソードは、近年7-9でアメリカと南アメリカの果実生産に大きな影響を持っていた、より一般的な平均低温が続く暖かい天候の早期発症によって悪化されています。初期の暖かい天気がない霜耐性1,3,10-12にはほとんど持っているすべてのそれらの新芽、葉、花の成長を活性化し、破壊するために芽を誘導します。このような不安定な天候パターンは、進行中の気候変動の直接的反映であることが報告されており、foresための一般的な天候パターンであることが予想されますeeable今後13。増加霜耐性を提供することができ、経済的で効果的、かつ環境に配慮した経営手法や農薬を提供する努力は、理由のホストのための限られた成功を収めているが、これは、部分的に凍結耐性植物に回避メカニズムを凍結の複雑な性質に起因することができます。 14
植物における霜の生存に関連する適応メカニズムは、伝統的に凍結耐性と回避を凍結、2つのカテゴリに分類されています。前者は、植物が存在し、その組織中の氷の脱水効果に関連する応力を許容することができ、遺伝子の特定のセットで規制生化学的機構に関連しています。後者は、典型的であるが、単独で、プラント14であれば、氷の形を決定し、植物の構造的側面 と関連しないが。広告としての凍結回避の有病率にもかかわらず、aptive機構は、少し研究は、基礎となるメカニズム、凍結回避の調節を理解する最近で専念してきました。読者は、この問題に関するより詳細のための最近の総説15と呼ばれています。
低温での氷の形成は簡単なプロセスのように見えるかもしれないが、多くの要因が植物組織中での氷の核形成温度を決定することに寄与し、それが工場内に広がりますか。このような外因性および内因性の核の氷の存在などのパラメータ、不均一な対均一核イベント、熱ヒステリシス（不凍液）タンパク質、特定の糖および他のオスモライトの存在、および植物の構造的側面のホストがすべての重要なを再生することができます植物における凍結過程における役割。まとめると、これらのパラメータは、氷が開始され、それがどのように成長される植物は、凍結する温度に影響を与えます。また、得られた氷結晶の形態に影響を与えることができます。種々の方法は、磁気共鳴イメージング（MRI）17、低温顕微鏡18-19、低温走査型電子顕微鏡（LTSEM、核磁気共鳴分光法（NMR）16を含む実験室条件下で植物における凍結過程を研究するために使用されています）。実験室とフィールドの設定で、植物全体の20凍結は、しかし、主に熱電対を用いて監視されています。凍結を研究するための熱電対の使用は、水が液体から固体への相転移を受ける熱の放出（融解エンタルピー）に基づいています。凍結次に、発熱事象として記録される。21-23を熱電対は、植物中で凍結研究において選択される典型的な方法であるにもかかわらず、その使用は、凍結事象の間に得 られた情報の量を制限する多くの制限を有します。例えば、熱電対とそれがどのように伝播するか、氷が植物で開始されている場所を特定することはほぼ不可能に困難であり、それも速度で伝播している場合、一部の組織は、氷のない残っている場合。
高解像度の赤外線サーモグラフィ（HRIT）24-27の進歩は、しかし、差動撮影モードで使用する場合は特に、植物全体で凍結プロセスに関する情報を取得する能力を大幅に増加している。28-33本報告書では、凍結プロセスの様々な態様およびどこで、どのような温度で氷植物において開始される様々なパラメータに影響を研究するためのこの技術の使用を記載しています。プロトコルは高い、零下の温度での草本植物での凍結開始外因性核剤として作用する氷核活性（INA）細菌、 シュードモナスシリン （CIT-7）の能力を実証することが発表されます。
高解像度赤外線カメラ
このレポートに記載されたプロトコルおよび実施例は、高解像度の赤外線を利用しますビデオ放射計。放射計（ 図1）は、赤外線および可視スペクトル画像と温度データの組合せを供給する。カメラのスペクトル応答は、7.5から13.5ミクロンの範囲であり、640×480ピクセルの解像度を提供します。内蔵カメラで生成された可視スペクトルの画像が複雑な、熱画像の解釈を容易にする、リアルタイムでのIR画像と融合させることができます。カメラ用レンズの範囲は、クローズアップ、顕微鏡観察を行うために使用することができます。カメラは、スタンドアロンモードで使用、またはpropietaryソフトウェアを使用してラップトップコンピュータとインターフェースし、制御することができます。ソフトウェアが記録されたビデオに埋め込まれた温度データの様々な得るために使用することができます。これは、赤外線放射計の多種多様な商業的に入手可能であることに注意することが重要です。したがって、研究者が知識豊富な製品エンジニアとの意図された用途を議論していることと、研究者は、任意の仕の能力をテストすることが不可欠ですC放射計は、必要な情報を提供します。記載されているプロトコルで使用される撮像放射計は、アクリルボックスに発泡スチロールI N温暖化と冷却のプロトコルの間に結露への暴露を抑止するためで絶縁（ 図2）が配置されています。この保護は、すべてのカメラやアプリケーションのために必要とされません。
Protocol
Representative Results
Discussion
水は十分に0℃以下の温度に過冷却する能力を有しており、水が凍結する温度は非常に可変であることができる。36純水の過冷却温度の上限は、約-40℃であり、均一な核形成点として定義されます。暖かい温度で水が凍結がより-40℃、それは次いで、氷の形成と成長のための触媒として機能する形成するために、小さな氷の胚を可能にする核不均一の存在によってもたらされた場合…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
P23681-B16：この研究は、オーストリア科学基金（FWF）によって資金を供給されました。
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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