השימוש ברזולוציה גבוהה אינפרא אדום תרמוגרפיה (HRIT) לחקר הקרח נוקלאציה וקרח רביה בצמחים
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
טמפרטורות מקפיאות המתרחשות כאשר צמחים גדלים באופן פעיל יכול להיות קטלני, במיוחד אם המפעל יש סובלנות הקפאה קטנה או לא. יש אירועים כאלה לעתים קרובות כפור השפעות הרסניות על ייצור חקלאי וגם יכולים לשחק תפקיד חשוב בעיצוב מבנה קהילה באוכלוסיות טבעיות של צמחים, במיוחד באלפיני, מערכות אקולוגיות תת-ארקטי והארקטי 1-6. פרקים של כפור האביב החמור היו השפעות עיקריות על ייצור פירות בארה"ב ובדרום אמריקה בשנים האחרונות 7-9 והוחמרו על ידי ההתפרצות המוקדמת של מזג אוויר חם ואחרי טמפרטורות נמוכות ממוצעים אופייניות יותר. מזג האוויר החם גורם לתחילת ניצנים לשבור, הפעלת הצמיחה של יורה, עלים, פרחים וחדשים שכולן יש מעט מאוד לא סובלנות כפור 1,3,10-12. דפוסי מזג אוויר בלתי יציבים כגון דווחו להיות השתקפות ישירה של שינויי האקלים מתמשכים וצפויים להיות דפוס מזג אוויר משותף לforesעתיד eeable 13. מאמצים כדי לספק טכניקות חסכוניות, יעילות, וידידותיות לסביבה ניהול או להגנת הצומח שיכול לספק סובלנות כפור מוגברת היו הצלחה מוגבלת לשורה של סיבות, אבל זה יכול להיות מיוחס בחלקה לאופי המורכב של הקפאת סובלנות והקפאת מנגנוני הימנעות בצמחים. 14
מנגנוני ההסתגלות הקשורים להישרדות כפור בצמחים באופן מסורתי מתחלקים לשתי קטגוריות, הקפאת סובלנות והימנעות ההקפאה. הקטגוריה לשעבר מזוהה עם מנגנונים ביוכימיים מוסדרים על ידי קבוצה מסוימת של גנים המאפשרים לצמחים לעמוד בעקות קשורות בנוכחות והשפעת dehydrative של קרח ברקמות שלו. בעוד הקטגוריה השנייה היא בדרך כלל, אך לא רק, הקשורים להיבטים מבניים של צמח שקובעים אם, מתי והיכן צורות קרח במפעל 14. למרות השכיחות של הימנעות הקפאה כמודעהמנגנון aptive, מחקר קטן הוקדש בתקופה האחרונה להבנת מנגנוני ויסות של הימנעות הקפאת הבסיס. הקורא מופנה לסקירה האחרונה 15 לפרטים רבים יותר בנושא זה.
בעוד היווצרות הקרח בטמפרטורות נמוכות אולי נראית כמו תהליך פשוט, גורמים רבים תורמים לקביעת הטמפרטורה שבה הקרח nucleates ברקמות צמח וכיצד הוא מתפשט בתוך המפעל. פרמטרים כגון הנוכחות של חיצוני ופנימי קרח nucleators, אירועי נוקלאציה הטרוגנית לעומת הומוגנית, תרמית-hysteresis (נוזל לרדיאטור) חלבונים, נוכחות של סוכרים ספציפיים וosmolytes האחר, וכן שורה של היבטים מבניים של הצמח יכול לשחק כל משמעותי תפקיד בתהליך ההקפאה בצמחים. באופן קולקטיבי, פרמטרים אלה משפיעים על הטמפרטורה שבה צמח קופא, שבו קרח הוא יזם ואיך הוא גדל. הם יכולים גם להשפיע על המורפולוגיה של גבישי קרח שנוצרו.שיטות שונות שימשו ללמוד את תהליך ההקפאה בצמחים בתנאי מעבדה, כוללים ספקטרוסקופית תהודה מגנטית גרעינית (NMR) 16, הדמיה בתהודה מגנטית (MRI) 17, cryo-מיקרוסקופיה 18-19, ומיקרוסקופ אלקטרונים סורק בטמפרטורה נמוכה (LTSEM ). 20 הקפאה של צמחים שלמים בהגדרות מעבדה ושדה, לעומת זאת, בעיקר במעקב עם צמדים תרמיים. השימוש בצמדים ללמוד הקפאה מבוסס על השחרור של חום (אנתלפיה של היתוך) כאשר מים עוברים שלב מעבר מנוזל למוצק. הקפאה אז נרשמה כאירוע אקסותרמית. 21-23 למרות צמדים הם השיטה האופיינית לבחירה בלימוד הקפאה בצמחים, יש שימושם מגבלות רבות המגבילות את כמות המידע שהושג במהלך אירוע הקפאה. לדוגמא, עם צמדים קשה כמעט בלתי אפשרי לקבוע היכן קרח הוא יזם בצמחים, איך זה מתפשט,אם זה מתפשט באפילו שיעור, ואם כמה רקמות להישאר חופשיות של קרח.
התקדמות בתרמוגרפיה ברזולוציה גבוהה אינפרא אדום (HRIT) 24-27, לעומת זאת, הגדילה באופן משמעותי את היכולת לקבל מידע על תהליך ההקפאה בכל צמחים, במיוחד בעת שימוש במצב הדמיה ההפרש. 28-33 בדו"ח הנוכחי, אנחנו מתאר את השימוש בטכנולוגיה זו כדי ללמוד היבטים שונים של תהליך ההקפאה ופרמטרים שונים המשפיעים בו ובאיזה טמפרטורת קרח הוא יזם בצמחים. פרוטוקול יוצג שידגים את היכולת של חיידק קרח התגרענות-אקטיבי (INA), Pseudomonas syringae (CIT-7) לפעול כnucleator חיצוני ייזום הקפאה בצמח עשבוני בטמפרטורה גבוהה, שמתחת לאפס.
מצלמה אינפרא אדום ברזולוציה גבוהה
הפרוטוקול ודוגמאות מתועדות בדו"ח זה לנצל רזולוציה גבוהה אינפרא אדומותרדיומטר וידאו. מד הקרינה (איור 1) מספקת שילוב של תמונות ספקטרום אינפרא אדום ונראה לעין ונתוני טמפרטורה. תגובת הרפאים של המצלמה היא בטווח של 7.5-13.5 מיקרומטר ומספקת 640 x 480 פיקסלים ברזולוציה. תמונות ספקטרום הנראה נוצרו על ידי מצלמה ניתן התמזגה עם IR-תמונות בזמן אמת, המאפשר הפרשנות של תמונות מורכבות, תרמית-בנבנה. מגוון של עדשות למצלמה יכול לשמש להכנה מקרוב ותצפיות מיקרוסקופיות. המצלמה יכולה לשמש במצב עצמאי, או ממשק ובשליטה עם מחשב נייד באמצעות תוכנת propietary. התוכנה יכולה לשמש כדי להשיג מגוון רחב של נתונים תרמיים המשובצים בקטעי הווידאו המוקלטים. חשוב לציין כי מגוון רחב של radiometers אינפרא אדום זמין מסחרי. לכן, זה הכרחי כי החוקר לדון היישום המיועד שלהם עם מהנדס מוצר וידע שחוקר לבדוק את יכולתו של כל ספציפיתרדיומטר ג לספק את המידע הדרוש. רדיומטר ההדמיה משמש בפרוטוקול המתואר ממוקם בתיבת אקריליק (איור 2) מבודד עם קלקר אני n כדי להרתיע חשיפה לעיבוי בפרוטוקולי ההתחממות והתקררות. הגנה זו אינה נחוצה לכל המצלמות או יישומים.
Protocol
Representative Results
Discussion
יש מים היכולת מדליקה לטמפרטורות נמוכות 0 מעלות צלזיוס והטמפרטורה בה מים יקפאו יכולים להיות משתנים לגמרי. 36 מגבלת הטמפרטורה לקירור של מים טהורים היא על -40 מעלות צלזיוס ומוגדרת כנקודת נוקלאציה הומוגנית. כאשר מים קופאים בטמפרטורות חמה יותר מאשר -40 ° C זה הוא הביא על…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה מומן על ידי קרן המדע האוסטרית (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 |
References
- 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).
- Neuner, G., Hacker, J., Lütz, C. Ice formation and propagation in alpine plants. Plants in alpine regions: Cell Physiology of adaptation and survival strategies. , 163-174 (2012).
- 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).
- Wisniewski, M. E., Gusta, L. V., Fuller, M. P., Karlson, D., Gusta, L. V., Wisniewski, M. E., Tanino, K. K. Ice nucleation, propagation and deep supercooling: the lost tribes of freezing studies. Plant Cold Hardiness: from the laboratory to the field. , 1-11 (2009).
- 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).
- 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).
- Wisniewski, M., Glenn, D. M., Gusta, L., Fuller, M. Using infrared thermography to study freezing in plants. HortScience. 43, 1648-1651 (2008).
- Gu, L., et al. The 2007 eastern US spring freeze: increased cold damage in a warming world. BioScience. 58, 253-262 (2008).
- Augspurger, C. K. Spring warmth and frost: phenology, damage, and refoliation in a temperate deciduous forest. Func. Ecol. 23, 1031-1039 (2007).
- 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).
- 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).
- Hänninen, H., Tanino, K. Tree seasonality in a warming climate. Trends in Plant Science. 16, 412-416 (2011).
- Katz, R. W., Brown, B. G. Extreme events in a changing climate: variability is more important than averages. Climate Change. 21, 289-302 (1992).
- Wisniewski, M., Gusta, L. Understanding plant cold hardiness: an opinion. Physiol. Plant. 147, 4-14 (2013).
- Wisniewski, M., Gusta, L., Neuner, G. Adaptive mechanisms of freeze avoidance in plants. A brief update. Env. Exp. Bot. 99, 133-140 (2014).
- 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).
- 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).
- Ishikawa, M., Sakai, A., Li, P. H., Sakai, A. Characteristics of freezing avoidance in comparison with freezing tolerance: a demonstration of extra-organ freezing. Plant cold hardiness and freezing stress. , 325-340 (1982).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ashworth, E. N., Davis, G. A. Ice formation in woody plants under field conditions. HortSci. 21, 1233-1234 (1986).
- 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).
- 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).
- Lutze, J. L., et al. Elevated atmospheric [CO2] promotes frost damage in evergreen tree seedlings. Plant Cell Environ. (6), 631-635 (1998).
- Ball, M. C., et al. Space and time dependence of temperature and freezing in evergreen leaves). Func. Plant Biol. 29 (11), 1259-1272 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Aryal, B., &Neuner, G. Leaf wettability decreases along an extreme altitudinal gradient. Oecologia. 162, 1-9 (2010).
- Wisniewski, M., Fuller, M. P., Margesin, R., Schinner, F. . Ice nucleation and deep supercooling in plants: new insights using infrared thermography. In: Cold adapted organisms. Ecology, physiology, enzymologyandmolecularbiology. , 105-118 (1999).
- Franks, F. . Biophysics and biochemistry at low temperatures. , (1985).
- Neuner, G., Kuprian, E., Hincha, D., Zuther, E. Infrared thermal analysis of plant freezing processes. Methods in Molecular Biology: Plant Cold Acclimation. , 91-98 (2014).
