L'uso di ad alta risoluzione termografia a infrarossi (HRIT) per lo studio di ghiaccio nucleazione del ghiaccio e propagazione nelle piante
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
Temperature di congelamento che si verificano quando le piante sono in attiva crescita può essere letale, in particolare se la pianta ha poca o nessuna tolleranza congelamento. Tali eventi gelo spesso hanno effetti devastanti sulla produzione agricola e possono svolgere un ruolo importante nel plasmare la struttura della comunità in popolazioni naturali di piante, in particolare in montagna, gli ecosistemi sub-artiche e artiche 1-6. Gli episodi di gravi gelate primaverili hanno avuto maggiori impatti sulla produzione di frutta negli Stati Uniti e in Sud America, negli ultimi anni 7-9 e sono stati esacerbati dalla precoce inizio della stagione calda seguita da più tipici basse temperature medie. Il clima caldo precoce induce i germogli di rompere, attivando la crescita di nuovi germogli, foglie e fiori che hanno tutti molto poco o nessun tolleranza al freddo 1,3,10-12. Tali condizioni meteorologiche imprevedibili sono stati segnalati per essere un riflesso diretto del cambiamento climatico in corso e si prevede che essere un modello di tempo comune per Foresfuturo eeable 13. Gli sforzi per fornire tecniche di gestione economiche, efficaci e rispettosi dell'ambiente o prodotti agrochimici in grado di fornire una maggiore tolleranza al freddo hanno avuto un successo limitato per una serie di motivi, ma questo può essere in parte attribuito alla natura complessa di congelare la tolleranza e il congelamento dei meccanismi di evitamento nelle piante. 14
I meccanismi di adattamento associata a sopravvivenza gelo nelle piante sono stati tradizionalmente divisi in due categorie, il congelamento la tolleranza e il congelamento di evitamento. La prima categoria è associata con meccanismi biochimici regolati da uno specifico set di geni che permettono alle piante di tollerare tensioni associate con la presenza e l'effetto dehydrative di ghiaccio nei suoi tessuti. Mentre quest'ultima categoria è tipicamente, ma non esclusivamente, associato ad aspetti strutturali di una pianta che determinano se, quando, e dove si forma il ghiaccio in un impianto di 14. Nonostante la prevalenza di evasione freeze come un annuncioMeccanismo aptive, poca ricerca è stata dedicata negli ultimi tempi per la comprensione dei meccanismi e regolazione di evasione freeze sottostanti. Il lettore si riferisce a una recente revisione 15 per maggiori dettagli in merito.
Mentre la formazione di ghiaccio a basse temperature può sembrare un processo semplice, molti fattori contribuiscono a determinare la temperatura alla quale il ghiaccio nucleates in tessuti vegetali e come si diffonde all'interno della pianta. Parametri come la presenza di ghiaccio estrinseca e intrinseca nucleatori, eterogenei vs eventi nucleazione omogenea, termico-isteresi (antigelo) proteine, la presenza di zuccheri specifici e altri osmoliti, e una serie di aspetti strutturali della pianta possono tutti giocare un significativo ruolo nel processo di congelamento in impianti. Collettivamente, questi parametri influenzano la temperatura alla quale una pianta gela, in cui viene iniziata ghiaccio e come cresce. Essi possono anche influenzare la morfologia dei cristalli di ghiaccio risultanti.Vari metodi sono stati utilizzati per studiare il processo di congelamento in impianti in condizioni di laboratorio, compresa la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) 16, la risonanza magnetica (MRI) 17, crio-microscopia 18-19, e bassa temperatura di microscopia elettronica a scansione (LTSEM ). 20 Congelamento di piante intere in laboratorio e sul campo, però, è soprattutto stata monitorata con termocoppie. L'uso di termocoppie per studiare congelamento si basa sulla liberazione di calore (entalpia di fusione) quando l'acqua subisce una transizione di fase da liquido a solido. Congelamento viene quindi registrato come un evento esotermica. 21-23 Sebbene termocoppie sono il tipico metodo di scelta nello studio congelamento nelle piante, il loro uso ha molte limitazioni che limitano la quantità di informazioni ottenute durante un evento di congelamento. Ad esempio, con termocoppie è difficile quasi impossibile determinare dove viene iniziata ghiaccio in piante, come si propaga,se si propaga ad una frequenza costante, e se alcuni tessuti rimangono liberi di ghiaccio.
I progressi in alta risoluzione termografia a infrarossi (HRIT) 24-27, però, hanno aumentato significativamente la capacità di ottenere informazioni sul processo di congelamento di piante intere, specialmente se usata in modalità di imaging differenziale. 28-33 Nella presente relazione, abbiamo descrivere l'uso di questa tecnologia per studiare vari aspetti del processo di congelamento e vari parametri che influiscono dove e ghiaccio ea quale temperatura è iniziata nelle piante. Un protocollo sarà presentato che dimostrare la capacità del batterio di ghiaccio-nucleazione-attiva (INA), Pseudomonas syringae (Cit-7) per agire come un nucleator estrinseca avvio congelamento in una pianta erbacea ad una temperatura elevata sotto zero.
Ad alta risoluzione telecamera a infrarossi
Il protocollo e gli esempi documentati in questo rapporto utilizzano una alta risoluzione infrarossiVideo radiometro. Il radiometro (figura 1) fornisce un insieme di immagini spettro all'infrarosso e nel visibile e dati di temperatura. La risposta spettrale della fotocamera è nel range di 7,5-13,5 pm e fornisce 640 x 480 pixel. Immagini spettro visibile generati dalla fotocamera incorporata può essere fuso con IR-immagini in tempo reale, che facilita l'interpretazione dei complessi, immagini termiche. Una gamma di lenti per la macchina fotografica può essere usato per fare close-up e osservazioni microscopiche. La telecamera può essere utilizzata in una modalità autonoma, o interfacciato e controllato con un computer portatile utilizzando il software propietari. Il software può essere utilizzato per ottenere una varietà di dati termici incorporati nei video registrati. E 'importante notare che una grande varietà di radiometri infrarossi sono disponibili in commercio. Pertanto, è essenziale che il ricercatore discutere l'applicazione prevista con un tecnico esperto del prodotto e che il ricercatore testare la capacità di qualsiasi specific radiometro a fornire le informazioni necessarie. Il radiometro di imaging utilizzata nel protocollo descritto è posto in una scatola di acrilico (Figura 2) isolato con Styrofoam i n fine di dissuadere l'esposizione alla condensa durante i protocolli di riscaldamento e raffreddamento. Questa protezione non è necessaria per tutte le telecamere o le applicazioni.
Protocol
Representative Results
Discussion
L'acqua ha la capacità di Supercool a temperature inferiori a 0 ° C e la temperatura alla quale l'acqua si congela può essere molto variabile. 36 Il limite di temperatura per sottoraffreddamento di acqua pura è di circa -40 ° C ed è definito come il punto di nucleazione omogenea. Quando l'acqua gela A temperature superiori a -40 ° C si è portato dalla presenza di eterogeneo nucleatori che consentono piccoli embrioni di ghiaccio di forma che poi servire come catalizzatore per la formazione …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata finanziata dal Fondo di Scienze austriaca (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 |
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