El uso de alta resolución Termografía Infrarroja (HRIT) para el Estudio de Hielo La nucleación y Hielo Propagación 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
Congelación temperaturas que se producen cuando las plantas están creciendo activamente puede ser letal, particularmente si la planta tiene tolerancia a la congelación poco o no. Tales heladas suelen tener efectos devastadores en la producción agrícola y también pueden desempeñar un papel importante en la conformación de la estructura de la comunidad en las poblaciones naturales de las plantas, sobre todo en los Alpes, los ecosistemas sub-árticas y árticas 1-6. Los episodios de fuertes heladas de primavera han tenido un gran impacto en la producción de fruta en los EE.UU. y América del Sur en los últimos años 7-9 y se han agravado por la aparición temprana de clima cálido, seguido por las bajas temperaturas más típicas medias. El clima cálido temprana induce brotes de romper, activando el crecimiento de nuevos brotes, hojas y flores de todos los cuales tienen muy poca o ninguna tolerancia a las heladas 1,3,10-12. Tales patrones climáticos erráticos se han notificado a ser un reflejo directo del cambio climático en curso y se espera que sea un patrón de tiempo común para los foresfuturo eeable 13. Los esfuerzos para proporcionar técnicas de gestión económicos, eficaces y respetuosas del medio ambiente o agroquímicos que pueden proporcionar una mayor tolerancia a las heladas han tenido un éxito limitado por una serie de razones, pero esto puede ser parcialmente atribuido a la naturaleza compleja de la tolerancia a la congelación y congelación mecanismos de evasión en las plantas. 14
Los mecanismos adaptativos asociados con la supervivencia heladas en las plantas se han dividido tradicionalmente en dos categorías, tolerancia a la congelación y la congelación de evitación. La primera categoría se asocia con mecanismos bioquímicos regulados por un conjunto específico de genes que permiten a las plantas para tolerar las tensiones asociadas con la presencia y el efecto deshidratante de hielo en sus tejidos. Si bien esta última categoría es normalmente, pero no exclusivamente, asociado con aspectos estructurales de una planta que determinan si, cuándo, y dónde se forma hielo en una planta 14. A pesar de la prevalencia de la evitación de la congelación como un anunciomecanismo aptive, poca investigación se ha dedicado en los últimos tiempos a la comprensión de los mecanismos y regulación de evitar la congelación subyacentes. Se remite al lector a una revisión reciente 15 para mayores detalles sobre este tema.
Mientras que la formación de hielo a temperaturas bajas puede parecer un proceso simple, muchos factores contribuyen a la determinación de la temperatura a la que el hielo se nuclea en los tejidos vegetales y cómo se propaga dentro de la planta. Parámetros como la presencia de extrínseca e intrínseca nucleadores de hielo, frente a eventos de nucleación homogénea heterogéneos, térmica-histéresis (anticongelante) proteínas, la presencia de azúcares específicos y otros osmolitos, y una serie de aspectos estructurales de la planta todos pueden jugar un importante papel en el proceso de congelación en las plantas. Colectivamente, estos parámetros influyen en la temperatura a la que una planta se congela, donde se inicia hielo y cómo crece. También pueden afectar a la morfología de los cristales de hielo resultantes.Varios métodos han sido utilizados para estudiar el proceso de congelación en las plantas bajo condiciones de laboratorio, incluyendo espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) 16, imágenes de resonancia magnética (MRI) 17, crio-microscopía 18-19, y microscopía electrónica de barrido de baja temperatura (LTSEM ). 20 Congelación de plantas enteras en la configuración de laboratorio y de campo, sin embargo, ha sido principalmente controlarse con termopares. El uso de termopares para estudiar la congelación se basa en la liberación de calor (entalpía de fusión) cuando el agua se somete a una transición de fase de líquido a un sólido. La congelación se registra entonces como un evento exotérmico. 21-23 A pesar de que los termopares son el método típico de elección en el estudio de la congelación en plantas, su uso tiene muchas limitaciones que limitan la cantidad de información obtenida durante un suceso de congelación. Por ejemplo, con termopares es difícil casi imposible determinar donde se inicia de hielo en las plantas, la forma en que se propaga,si se propaga a una velocidad constante, y si algunos tejidos permanecen libres de hielo.
Los avances en la termografía infrarroja de alta resolución (HRIT) 24-27, sin embargo, han aumentado de manera significativa la capacidad de obtener información sobre el proceso de congelación en plantas enteras, especialmente cuando se utiliza en un modo de imagen diferencial. 28-33 En el presente informe, describen el uso de esta tecnología para estudiar diversos aspectos del proceso de congelación y diversos parámetros que afectan a dónde y en qué hielo y la temperatura se inicia en las plantas. Un protocolo será presentado que demostrar la capacidad de la bacteria de hielo-nucleación-activo (INA), Pseudomonas syringae (Cit-7) para actuar como un nucleador extrínseca iniciar la congelación en una planta herbácea a una alta temperatura, a temperaturas bajo cero.
De alta resolución de la cámara de infrarrojos
El protocolo y ejemplos documentados en este informe utilizan una alta resolución de infrarrojosradiómetro de vídeo. El radiómetro (Figura 1) suministra una combinación de imágenes espectro de infrarrojos y visibles y datos de temperatura. La respuesta espectral de la cámara está en el rango de 7,5 a 13,5 micras y proporciona una resolución de 640 x 480 pixel. Imágenes espectro visible generados por la cámara puede ser fusionado con IR-imágenes en tiempo real, lo que facilita la interpretación de imágenes térmicas, complejos incorporado. Una gama de lentes para la cámara se puede utilizar para hacer primeros planos y observaciones microscópicas. La cámara se puede utilizar en un modo autónomo, o interconectado y controlado con un ordenador portátil usando software propietario. El software se puede utilizar para obtener una variedad de datos térmicos embebidos en los vídeos grabados. Es importante observar que una amplia variedad de radiómetros infrarrojos están disponibles comercialmente. Por lo tanto, es esencial que el investigador discutir su aplicación prevista con un ingeniero de producto bien informado y que el investigador probar la capacidad de cualquier específic radiómetro para proporcionar la información necesaria. El radiómetro de imágenes utilizado en el protocolo descrito se coloca en una caja de acrílico (Figura 2) con aislamiento de espuma de poliestireno i on el fin de disuadir a la exposición a la condensación durante los protocolos de calentamiento y enfriamiento. Esta protección no es necesaria para todas las cámaras o aplicaciones.
Protocol
Representative Results
Discussion
El agua tiene la capacidad de superenfriar a temperaturas muy por debajo de 0 ° C y la temperatura a la que el agua se congele puede ser bastante variable. 36 El límite de temperatura para el subenfriamiento del agua pura es de aproximadamente -40 ° C y se define como el punto de nucleación homogénea. Cuando el agua se congela a temperaturas más cálidas a -40 ° C, se produce por la presencia de nucleantes heterogéneos que permiten a los pequeños embriones de hielo para formar y que constituirán un …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación fue financiada por el Fondo de Ciencias de Austria (FMF): 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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