식물의 얼음 핵 얼음 전파의 연구에 대한 고해상도 적외선 체열 (HRIT)의 사용
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
식물이 활발하게 성장하는 때 발생하는 온도를 동결하는 것은 식물이 거의 또는 전혀 동결 내성이 경우 특히, 치명적이 될 수 있습니다. 이러한 서리 이벤트는 종종 농업 생산에 파괴적인 영향을 가지고 있으며, 특히 고산, 서브 북극과 북극 생태계 1-6, 식물의 자연 집단에서 사회 구조 형성에 중요한 역할을 할 수있다. 심한 봄 서리의 에피소드는 최근 7-9 년 미국과 남미에서 과일 생산에 큰 영향이 있고 전형적인 평균 저온 다음 따뜻한 날씨의 초기 발병에 의해 악화되고있다. 초기의 따뜻한 날씨는 더 서리 허용 1,3,10-12 매우 작은이 모두 새로운 싹, 잎, 꽃의 성장을 활성화, 휴식 싹을 유도한다. 이러한 불규칙적 인 기상 패턴 지속적인 기후 변화의 직접적인 반사 것으로보고되었으며 FORES위한 공통 날씨 패턴이 될 것으로 예상된다eeable 미래 (13). 증가 된 서리 내성을 제공 할 수있다, 경제적 효과 및 환경 친화적 인 경영 기법이나 농약을 제공하기위한 노력이 이유 호스트의 제한적인 성공이 있었다 그러나이 부분적 내성을 동결 식물 회피 메커니즘을 동결 복잡한 성질에 기인 할 수있다. (14)
식물에서 서리 생존과 관련된 적응 메커니즘은 전통적으로 내성을 동결 방지 동결, 두 가지 범주로 구분하고있다. 전 분류는 식물의 존재와 그 조직에서 얼음의 탈수 효과와 연관된 응력을 견딜 수 있도록하는 유전자의 특정 세트에 의해 조절 생화학 적 메커니즘과 연관된다. 후자는 통상적으로, 그러나 오직, 플랜트 (14)의 구조를 결정 식물의 측면 및 얼음 형성과 연관된 상태. 광고로 동결 방지의 보급에도 불구하고aptive 메커니즘 연구는 거의 기본 메커니즘 및 동결 방지의 규정을 이해하는데 최근에 전념하고있다. 독자는이 주제에 대한 더 자세한 사항은 최근의 리뷰 (15)로 지칭된다.
저온에서 얼음의 형성이 간단한 방법처럼 보일 수도 있지만, 많은 요인은 공장 내에서 확산 식물 조직에있는 얼음 핵이 방법에서 온도를 결정하는 것에 기여한다. 같은 핵형 성제 외적인 얼음의 존재하에, 이종 대 균질 핵 생성 이벤트, 열 이력 (부동액) 단백질, 특정 당 및 다른 osmolytes의 존재, 및 식물의 구조적 측면 호스트로 파라미터 수있는 것은 중요한 플레이 식물 동결 과정에서 역할. 종합적으로, 이러한 매개 변수는 얼음이 시작하고 성장하는 방법 어디 공장이 정지되는 온도에 영향을 미친다. 또한 생성 된 얼음 결정의 형태에 영향을 미칠 수있다.다양한 방법 LTSEM (핵 자기 공명 분광법 (NMR) (16), 자기 공명 영상 (MRI) (17), 크라이 현미경 18-19, 저온 주사 전자 현미경을 포함 실험실 조건 하에서 식물 동결 과정을 연구하기 위해 사용되어왔다 ). 실험실 및 필드 설정에서 전체 식물의 20 냉동 그러나, 주로 열전대로 모니터링하고있다. 동결을 연구하는 열전대의 사용은 물이 액체로부터 고체로 상 변화를 겪는다 열 해방 (융해열)에 기초한다. 동결 후, 발열 이벤트로서 기록된다. 21-23 열전대 식물 동결 공부 선택 전형적인 방법이더라도, 이들의 사용은 이벤트 동안 동결 얻어진 정보의 양을 제한하는 많은 한계가있다. 예를 들어, 열전대와 그것이 어떻게 전파 얼음, 식물에서 개시되는 위치를 결정하는 것은 거의 불가능에 어렵고,그것은 더 속도로 전파하는 경우, 일부 조직은 얼음의 무료 유지합니다.
고해상도 적외선 체열 (HRIT) 24-27의 발전은, 그러나, 상당히 차동 촬상 모드에서 사용될 때, 특히 식물 전체에 동결 과정에 대한 정보를 획득 할 수있는 능력을 증가했다. 28-33을 본 보고서에서는 냉동 과정의 다양한 양태 및 어디에 어떤 온도에서 얼음 식물에서 개시되는 다양한 매개 변수에 영향을 연구하기 위해이 기술의 사용을 설명한다. 프로토콜은 높은, 영하의 온도에서 초본 식물에 동결 개시 외부 핵제 역할을 얼음 핵 활동 (INA) 박테리아의 능력, 슈도모나스 시린 개 (Pseudomonas syringae) (CIT의-7)를 보여 것이다 표시됩니다.
고해상도 적외선 카메라
이 보고서에 설명 된 프로토콜과 예는 적외선 높은 해상도를 사용비디오 복사계. 복사계 (도 1)는 적외선과 가시 광선 이미지 및 온도 데이터의 조합을 제공한다. 카메라의 스펙트럼 응답은 7.5-13.5 μm의 범위 인 640 × 480 화소 해상도를 제공한다. 가시 스펙트럼에 의해 생성 된 이미지 카메라 내장 복잡한 열적 이미지의 해석을 용이하게 실시간에서 IR-이미지로 융합 될 수있다. 카메라 렌즈의 범위는 확대 현미경 관찰을 할 수 있습니다. 카메라는 독립 실행 형 모드로 사용, 또는 인터페이스와 propietary 소프트웨어를 사용하여 노트북을 제어 할 수 있습니다. 소프트웨어가 기록 된 비디오 데이터에 포함 된 열 다양한를 얻기 위해 사용될 수있다. 이는 적외선 복사계의 다양한 시판 것을 주목하는 것이 중요하다. 따라서, 연구자 제품 엔지니어링 지식을 그들의 의도 된 적용을 논의하고 있음을보고 특정 연구자가 임의의 능력을 시험하는 것이 중요C 복사계 필요한 정보를 제공한다. 설명 된 프로토콜에 사용 촬상 복사계는 아크릴 상자 나 스티로폼 N 온난화 및 냉각 프로토콜 동안 축합 노출을 방지하기 위해,로 절연 (도 2)에 배치된다. 이 보호는 모든 카메라 또는 응용 프로그램에 필요하지 않습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
물 우물 0 ° C 이하의 온도와 물이 상당히 가변적 일 수 동결되는 온도로 과냉각하는 기능을 갖는다. 순수 과냉각 36 내열 온도는 약 -40 ° C이며 균질 핵 생성 지점으로 정의된다. 따뜻한 온도에서 물이 동결보다 -40 ° C는 다음 얼음 형성과 성장을위한 촉매 역할을하는 형성하는 작은 얼음 배아를 사용하는 것이 핵형 성제 이종의 존재에 의해 초래됩니다. (37) 자연 속에서 분자의 다?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
P23681-B16 :이 연구는 오스트리아 과학 기금 (FWF)에 의해 투자되었다.
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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