Насколько хорошо вы знаете свои камеры роста? Тестирование на камерный эффект с использованием свойств растений (Часть 1)

Реферат

Предпосылки

Камеры для роста растений обеспечивают контролируемую среду для анализа влияния параметров окружающей среды (свет, температура, состав атмосферных газов и т. д.) на функционирование растений. Однако было показано, что может существовать «эффект камеры», при котором наблюдаемые результаты обусловлены не экспериментальной обработкой, а незаметными различиями в предположительно идентичных камерах. В этом исследовании растения Vicia faba L. &aposAquadulce Claudia' (фасоль) выращивались в восьми закрытых камерах, чтобы установить, существует ли эффект камеры, и если да, то какие признаки растения лучше всего подходят для обнаружения такого эффекта. Для измерения различий между комнатными растениями использовался ряд методов, включая измерения флуоресценции хлорофилла, анализ газообмена, биомассу, репродуктивную продуктивность, анатомические особенности и стабильные изотопы углерода в листьях.

Результаты и обсуждение

Четыре из восьми камер имели камерный эффект. В частности, мы определили два типа камерного эффекта, которые мы называем «разрешимыми» и «неразрешимыми»; разрешимый эффект камеры вызван неисправностью компонентов камеры, а неразрешимый эффект камеры вызван неизвестными факторами, которые можно смягчить только путем соответствующего планирования эксперимента и достаточного повторения. Не все измеренные признаки растений были способны обнаружить эффект камеры, и ни один признак не был способен обнаружить все эффекты камеры. Свежий вес и подсчет цветков выявили камерный эффект в трех камерах, стабильные изотопы углерода (δ¹³C) и чистую скорость ассимиляции CO₂ (A_n) выявили камерный эффект в двух камерах, устьичная проводимость (g_s) и общий индекс производительности выявили эффект только в одной камере.

Заключение

1) Эффекты камеры можно адекватно обнаружить путем измерения свежего веса и подсчета цветков растений Vicia faba. Эти методы оказались наиболее эффективными с точки зрения обнаружения и наиболее эффективными с точки зрения времени.

2) Измерения δ¹³C, g_s и A_n помогают различать разрешимые и неразрешимые камерные эффекты.

3) неразрешимые эффекты камеры требуют повторения экспериментальной установки, в то время как разрешимые эффекты камеры требуют исследования, ремонта и повторных испытаний перед началом дальнейших экспериментов.

Предпосылки

Камеры для выращивания растений с контролируемой средой имеют неоценимое значение, позволяя исследователям определять влияние определенных биотических или абиотических параметров на растения. Широкий спектр растений можно выращивать в искусственных средах, где можно контролировать все абиотические факторы; изменяя один или несколько из них (например, температуру), можно проверить воздействие на растения. Полевые эксперименты очень полезны для экологических исследований, но на них может влиять множество одновременных факторов. Это затрудняет вывод о реакции растений, связанной с одним фактором окружающей среды. Напротив, камеры для выращивания растений позволяют исследователям механически определять, какие условия окружающей среды приводят к определенной реакции растений.

В исследованиях широко использовались камеры роста; однако было показано, что, хотя они строго контролируются, они не являются однородными, что может привести к значительной вариабельности данных о реакции растений. Вариации в данных о реакции растений обычно присутствуют из-за естественных генотипических и фенотипических вариаций; однако это изменение усугубляется так называемым «камерным эффектом», т.е. изменчивостью данных из-за выращивания растений в разных камерах. Длительные эксперименты в камерах, вероятно, более подвержены «нежелательным изменениям», вызванным камерами, поскольку параметры окружающей среды могут меняться во время экспериментов. Примеры этого включают затухание света с течением времени по мере старения лампочек, а также изменения температуры, влажности и концентрации газа в результате дрейфа датчика. Камерный эффект зависит не только от продолжительности эксперимента, но и от типа экспериментальной установки или конструкции. Их можно условно разделить на два типа: внутрикамерные эксперименты и межкамерные эксперименты.

Внутрикамерный эксперимент включает в себя все условия обработки, содержащиеся в одной камере для выращивания растений. Например, тестирование режима питательных веществ или воды у разных образцов в одной камере представляет собой внутрикамерный эксперимент, а каждое отдельное растение/горшок является единицей репликации. Было показано, что в этой экспериментальной установке присутствует камерный эффект, вызывающий значительную вариабельность данных о росте растений. Этот эффект камеры вызван пространственной неоднородностью внутри камеры роста и зависит от расположения растений внутри камеры. Эффект камеры может существенно исказить результаты данных, и рекомендации, предложенные, чтобы избежать этого, включают увеличение репликации и рандомизированное размещение растений.

Межкамерные эксперименты включают в себя один режим обработки для каждой камеры, и все растения в каждой отдельной камере выращиваются в одинаковых условиях (например, CO₂ обработка концентрацией, температурой или влажностью). Каждая камера считается одной экспериментальной единицей, и для репликации требуется несколько камер. Поскольку все растения в камере подвергаются одинаковой обработке, они считаются псевдорепликантами. Однако, как и в случае внутрикамерных экспериментов, растения по-прежнему могут подвергаться пространственной изменчивости, и поэтому внутри каждой камеры по-прежнему требуются повторы и/или рандомизация растений. Высокая вариабельность роста растений также была показана в межкамерных экспериментах, и рекомендации по борьбе с этим включают повышенную репликацию, либо с помощью нескольких камер, работающих вместе, либо путем повторения во времени. Потвин и Тардиф продемонстрировали, что растения, выращенные в одной и той же камере, но в разные периоды времени, проявляют одинаковый камерный эффект. В результате они пришли к выводу, что эксперименты не следует повторять в одной и той же камере дважды. Напротив, Ли и Роулингс предполагают, что существует эффект временной камеры, но также приходят к выводу, что межкамерные эксперименты должны повторяться в нескольких камерах и/или во времени.

Предыдущие исследования способствовали пониманию изменчивости растений, вызванной эффектами камеры; однако цель этой статьи - выяснить, является ли эта изменчивость достаточно существенной, чтобы вызвать значительную разницу в реакциях растений между камерами. Если эффект камеры достаточно силен, чтобы привести к искажению данных, это может привести к ложной интерпретации и неправильным выводам о данном методе. Кроме того, существует множество типов камер для выращивания растений (форма, размер, уровень контроля окружающей среды, воздушный поток и т.д.) и различные экспериментальные установки; по этой причине предположения о подходящей схеме эксперимента для собственного эксперимента на основе камер для выращивания растений в другой лаборатории могут ввести в заблуждение. В свете этого, перед экспериментированием важно установить, существуют ли камерные эффекты в собственных камерах выращивания, проведя пилотное исследование, как описано здесь. В данной статье основное внимание уделяется тестированию «межкамерных эффектов» путем изучения того, какие характеристики растений наиболее эффективны, своевременны и экономически выгодны для измерения.

Результаты и обсуждение

Целью эксперимента было выяснить, присутствует ли камерный эффект между восемью WALK-IN камерами роста растений, и определить, какие признаки растений (если таковые имеются) будут наиболее эффективными для его обнаружения. Эффект камеры может быть причиной незначительных различий между камерами, поэтому для обнаружения таких различий необходимо использовать относительно чувствительные виды растений. По этой причине Vicia faba была выбрана из-за ее способности реагировать на различные стимулы окружающей среды, такие как свет, концентрация CO₂ в атмосфере и засуха. Также было показано, что этот вид обладает повышенной чувствительностью устьиц к [CO₂] в камерах по сравнению с выращиваемыми в теплицах. Чтобы свести к минимуму различия между растениями, растения Vicia faba выращивали из семян в одной и той же среде выращивания и в горшке одинакового размера. Восемьдесят сеянцев были выбраны случайным образом и помещены в восемь одинаковых камер для выращивания растений, где контролировались свет, температура, влажность и атмосферные газы (Таблица 1).

Таблица 1

Рисунок 1

В четырех из восьми камер (2, 3, 6 и 8) наблюдался камерный эффект (рис. 1) в виде статистически значимых различий в измеряемых признаках при применении теста сравнения средних. Эффективность каждого признака в обнаружении эффекта камеры значительно различалась, а некоторые признаки были неспособны обнаружить какой-либо эффект камеры (рис. 2). Например, эффект камеры в обеих камерах 3 и 6 был обнаружен по шести отдельным измеренным характеристикам (общий индекс производительности (PI), устьичная проводимость (g_s), чистая скорость ассимиляции CO₂ (A_n) , состав стабильных изотопов углерода (δ¹³C) листьев, количества цветков (количества отдельных цветков на соцветиях) и свежей массы), тогда как в камерах 2 и 8 камерный эффект в каждом случае выявлялся только по одному измеряемому признаку (камерный эффект в камере 2 определялся по сырой массе) , а по подсчету цветков в камере 8) (рис. 1). Хотя мы обнаружили четыре отдельных эффекта камеры, можно выделить два четких типа: «разрешимые» эффекты камеры, определяемые как эффекты, вызванные техническими неисправностями в камерах или оборудовании камеры, которые, будучи выявлены, могут быть отремонтированы до начала экспериментов; или «неразрешимые» эффекты камеры, которые относятся к эффектам неизвестного источника. Определение камерного эффекта как разрешимого или неразрешимого. может быть сложной задачей и обычно требует наблюдения за несколькими признаками растений (рис. 3).

Рисунок 2

Рисунок 3

Содержание

Часть 1. Предпосылки. Результаты и обсуждения.

Часть 2. Результаты и обсуждения (продолжение).

Часть 3. Методы