Использование высокого разрешения ИК термографии (HRIT) для изучения ледовой зарождения и распространения ледникового у растений
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
Замораживание температур, которые возникают, когда растения активно растут может быть смертельным, особенно если растение имеет мало или вообще не морозостойкость. Такие события часто мороз иметь разрушительные последствия для сельскохозяйственного производства, а также может играть важную роль в формировании структуры сообщества в природных популяциях растений, особенно в альпийских, субарктических и арктических экосистем 1-6. Эпизоды тяжелых весенних заморозков имели серьезные последствия для производства фруктов в США и Южной Америке в последние годы 7-9 и усугубляется ранним началом теплой погоды следует более типичных средних низких температурах. Рано теплая погода вызывает почки сломать, активируя рост новых побегов, листьев, цветов и все из которых имеют очень мало No Frost толерантности 1,3,10-12. Такие неустойчивые погодные сообщалось быть прямым отражением продолжающегося изменения климата и, как ожидается, будет общий шаблон Прогноз погоды на Форесeeable будущее 13. Усилия по обеспечению экономических, эффективных и экологически чистых методов управления или агрохимикатов, которые могут обеспечить повышенную толерантность мороз имели ограниченный успех для целого ряда причин, но это может быть частично связано со сложным характером замораживания терпимости и замораживания механизмы уклонения в растениях. 14
Адаптивные механизмы, связанные с мороза выживания растений традиционно делятся на две категории, морозостойкость и замораживания избежать. Первая категория связана с биохимических механизмов, регулируемых определенного набора генов, которые позволяют растения переносят стрессы, связанные с наличием и дегидратационной эффект льда в его тканях. В то время как последняя категория обычно, но не исключительно, связана со структурными аспектами растения, которые определяют, если, когда и где образуется лед на заводе 14. Несмотря на распространенность замораживания избежания как с объявлениемaptive механизм, мало исследований было посвящено в последнее время к пониманию основных механизмов и регулирование замораживания избегания. Мы отсылаем читателя к недавнему обзору 15 для более подробно по этому вопросу.
В то время как образование льда при низких температурах может показаться простой процесс, многие факторы способствуют определения температуры, при которой лед зарождается в растительных тканях и как он распространяется внутри растения. Такие параметры, как наличие внешней и внутренней льда Структурообразователи, гетерогенных против однородных событий зародышей, тепловой гистерезиса (антифриз) белков, наличием специфических сахаров и других осмолитов, и множество структурных аспектов завода все могут играть значительную роль в процессе замораживания в растениях. В совокупности эти параметры влияют на температуру, при которой растение замерзает, где лед образуется и как он растет. Они также могут влиять на структуру полученных кристаллов льда.Различные методы были использованы для изучения процесса замерзания в растениях в лабораторных условиях, в том числе ядерного магнитного резонанса (ЯМР) 16, магнитно-резонансная томография (МРТ), 17 крио-микроскопии 18-19 и низкотемпературной сканирующей электронной микроскопии (LTSEM ). 20 Замораживание целых растений в лабораторных и полевых условиях, однако, в основном, были проверены с термопар. Использование термопар для изучения замораживание основан на выделении тепла (энтальпии плавления), когда вода претерпевает фазовый переход из жидкого состояния в твердое. Замораживание затем записывается в случае экзотермической. 21-23 Даже если термопары типичным методом выбора в изучении замораживания в растениях, их использование имеет много ограничений, которые ограничивают количество информации, полученной в ходе замораживания случае. Например, с помощью термопар трудно почти невозможно определить, где лед инициируется в растениях, как он распространяется,если она распространяется на равномерной скоростью, и если некоторые ткани остаются свободными от льда.
Достижения в инфракрасной термографии с высоким разрешением (HRIT) 24-27, однако, существенно увеличили возможность получения информации о процессе замораживания в целые растения, особенно при использовании в режиме дифференциального изображения. 28-33 В настоящем докладе мы описывают использование этой технологии для изучения различных аспектов процесса замораживания и различные параметры, которые влияют на том, где и и на то, что температура льда, начатые в растениях. Протокол будет представлен, которые демонстрируют способность льда зарождение активных (ИНА) бактерии Pseudomonas syringae, (CIT-7) выступать в качестве внешнего зародышей инициирующего замораживания в травянистых растений на высоком, отрицательной температуры.
Высокое разрешение Инфракрасная камера
Протокол и примеры в настоящем докладе использовать высокое разрешение инфракрасныевидео радиометр. Радиометр (Рисунок 1) обеспечивает сочетание инфракрасного и видимого изображений спектра и температурных данных. Спектральный отклик камеры находится в диапазоне от 7,5 до 13,5 мкм и обеспечивает 640 х 480 пикселей резолюции. Видимые изображения спектра, порождаемые встроенной камеры могут быть слиты с ИК-изображений в реальном времени, что облегчает интерпретацию сложных тепловых изображений. Диапазон линз для камеры можно использовать, чтобы сделать крупный план и микроскопические наблюдения. Камера может быть использована в автономном режиме, или сопряжено и контролируется с ноутбуком, используя программное обеспечение propietary. Программное обеспечение может быть использовано для получения различных тепловых данных, внедренных в записанных видео. Важно отметить, что широкое разнообразие инфракрасных радиометров являются коммерчески доступными. Таким образом, важно, что исследователь обсудить их предполагаемого применения со знающим инженером продукции и исследователь проверить способность любого УдельныйС радиометр, чтобы обеспечить необходимую информацию. Радиометр изображений в описанном протоколе находится в акриловой коробке (рисунок 2) изолированный пенополистиролом I N порядка, чтобы удержать воздействие конденсата во время потепления и охлаждения протоколов. Эта защита не требуется для всех камер или приложений.
Protocol
Representative Results
Discussion
Вода обладает способностью к Supercool температуре ниже 0 ° С, а температура, при которой вода замерзнет может быть весьма переменной. 36 предел температуры переохлаждения чистой воды составляет около -40 ° С и определяется как однородной точки образования ядра. Когда вода замерзает при…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было профинансировано австрийской Фонд науки (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).
