L'utilisation de la haute résolution thermographie infrarouge (HRIT) pour l'étude de la glace et de la glace nucléation Propagation dans les plantes

Températures qui se produisent lorsque les plantes sont en pleine croissance de congélation peut être mortelle, surtout si la plante a peu ou pas de tolérance au gel. De tels événements gel ont souvent des effets dévastateurs sur la production agricole et peuvent également jouer un rôle important dans la structure des communautés dans les populations naturelles de plantes, en particulier dans les régions alpines, les écosystèmes subarctiques et arctiques ^1-6. Les épisodes de sévères gelées de printemps ont eu des répercussions importantes sur la production de fruits dans les États-Unis et Amérique du Sud au cours des dernières années ^7-9 et ont été aggravés par l'apparition précoce du temps chaud suivi par basses températures moyennes les plus typiques. Le temps chaud début induit bourgeons de rompre, l'activation de la croissance de nouvelles pousses, feuilles, fleurs et tous qui ont très peu ou pas de gel tolérance ^1,3,10-12. Ces aléas météorologiques ont été signalés à être un reflet direct du changement climatique en cours et devraient être un motif de météo commun pour les fores¹³ eeable avenir. Les efforts visant à fournir des techniques ou des produits agrochimiques gestion économiques, efficaces et respectueuses de l'environnement qui peuvent fournir une tolérance accrue au gel ont eu un succès limité pour une foule de raisons, mais cela peut être attribué en partie à la nature complexe de la tolérance au gel et le gel des mécanismes d'évitement dans les plantes. ¹⁴

Les mécanismes adaptatifs associés à la survie du gel dans les plantes ont toujours été divisés en deux catégories, la tolérance au gel et le gel évitement. La première catégorie est associée à des mécanismes biochimiques réglementés par un ensemble spécifique de gènes qui permettent aux plantes de tolérer les contraintes associées à la présence et l'effet déshydratant de glace dans ses tissus. Alors que la dernière catégorie est généralement, mais pas uniquement, associé à des aspects structurels d'une plante qui déterminent si, quand et où les formes de glace dans une usine ^14. Malgré la prévalence de l'évitement gel comme une annoncemécanisme aptive, peu de recherches ont été consacrés ces derniers temps pour comprendre les mécanismes sous-jacents et de la réglementation de l'évitement gel. Le lecteur est renvoyé à un examen récent ¹⁵ pour plus de détails sur ce sujet.

Alors que la formation de glace à basses températures peut sembler comme un processus simple, de nombreux facteurs contribuent à déterminer la température à laquelle la glace nucléation dans les tissus végétaux et comment il se propage dans la plante. Des paramètres tels que la présence de extrinsèque et intrinsèque de nucléation de la glace, contre les événements de nucléation hétérogènes homogènes, thermique-hystérésis (antigel) protéines, la présence de sucres spécifiques et d'autres osmolytes, et une foule d'aspects structurels de la plante peuvent tous jouer un important rôle dans le processus de congélation dans les plantes. Collectivement, ces paramètres influencent la température à laquelle une plante gèle, où la glace est initiée et comment elle se développe. Ils peuvent également affecter la morphologie des cristaux de glace qui en résultent.Diverses méthodes ont été utilisées pour étudier le procédé de congélation dans les plantes en conditions de laboratoire, y compris la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) ^16, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) ^17, cryo-microscopie ^{18 à 19,} et la microscopie électronique à balayage à basse température (LTSEM ). ²⁰ congélation de plantes entières dans les paramètres de laboratoire et de terrain, cependant, a été principalement contrôlé avec thermocouples. L'utilisation de thermocouples pour étudier le gel est basé sur la libération de chaleur (enthalpie de fusion) lorsque l'eau subit une transition de phase à partir d'un liquide à un solide. La congélation est alors comptabilisé comme un événement exothermique. ^21-23 Même si thermocouples sont la méthode typique de choix dans l'étude de congélation dans les plantes, leur utilisation a de nombreuses limites qui limitent la quantité de renseignements obtenus lors d'un événement de congélation. Par exemple, avec des thermocouples il est difficile de presque impossible de déterminer où la glace est engagée dans les plantes, la façon dont il se propage,si elle se propage à un rythme encore, et si certains tissus restent libres de glace.

Les progrès de la thermographie infrarouge à haute résolution (HRIT) ^24-27, cependant, ont augmenté de façon significative la capacité d'obtenir des informations sur le processus de congélation dans les plantes entières, surtout lorsqu'il est utilisé dans un mode d'imagerie différentielle. ^28-33 Dans le présent rapport, nous décrire l'utilisation de cette technologie pour étudier divers aspects du processus de congélation et de différents paramètres qui influent sur le lieu et la glace et à quelle température est initiée dans les plantes. Un protocole sera présenté qui permettront de démontrer la capacité de la bactérie glace nucléation-actif (INA), Pseudomonas syringae (Cit-7) pour agir comme un agent de nucléation extrinsèque initier le gel dans une plante herbacée à une température en dessous de zéro élevé.

Caméra infrarouge haute résolution

Le protocole et des exemples documentés dans ce rapport utilisent un infrarouge à haute résolutionvidéo radiomètre. Le radiomètre (figure 1) fournit une combinaison des images infrarouge et visible du spectre et des données de température. La réponse spectrale de la caméra est dans la plage de 7,5 à 13,5 um et fournit 640 x 480 pixels de résolution. Images de spectre visible générés par le haut-appareil photo peut être fusionnée avec l'IR-images en temps réel, ce qui facilite l'interprétation des images thermiques complexes. Une gamme de lentilles de la caméra peut être utilisée pour faire des gros plans et des observations microscopiques. L'appareil peut être utilisé dans un mode autonome ou en interface et contrôlée avec un ordinateur portable utilisant le logiciel propietary. Le logiciel peut être utilisé pour obtenir une variété de données thermiques intégrés dans les vidéos enregistrées. Il est important de noter qu'une grande variété de radiomètres infrarouges sont disponibles dans le commerce. Par conséquent, il est essentiel que le chercheur de discuter de leur application prévue avec un ingénieur de produit compétent et que le chercheur de tester la capacité de tout spécific radiomètre de fournir les informations nécessaires. Le radiomètre d'imagerie utilisée dans le protocole décrit est placé dans une boîte en acrylique (Figure 2) isolé avec polystyrène i n afin de dissuader l'exposition à la condensation pendant les protocoles de réchauffement et de refroidissement. Cette protection est pas nécessaire pour tous les appareils photo ou les applications.