Насколько хорошо вы знаете свои камеры роста? Тестирование на камерный эффект с использованием свойств растений (Часть 2)

Результаты и обсуждение

Разрешимые камерные эффекты

Свежий вес и количество цветков оказались очень эффективными индикаторами камерного эффекта.

Однако они не способны различать разрешимые и неразрешимые камерные эффекты, поэтому идентификация разрешимых камерных эффектов требует комбинации измеренных характеристик. В этом исследовании разрешимый эффект камеры, обнаруженный в камерах 3 и 6, демонстрирует потенциальные возможности устранения неполадок, связанных с различными признаками растений.

Стабильные изотопы углерода особенно полезны, поскольку они позволяют отслеживать исходные изотопы углерода CO₂ от атмосферы до конечного пункта назначения — тканей растений. CO₂ в атмосфере состоит как из ¹³C, так и из ¹²C, причем ¹²C является более распространенным изотопом, составляющим 98,9% общего количества CO₂ в атмосфере. В камеру роста растений источник CO₂ подается либо из атмосферного CO₂, либо из газовых баллонов с CO₂, которые могут иметь различное соотношение изотопов углерода; следовательно, δ¹³C представляет собой идеальный механизм для проверки эффектов камеры, вызванных концентрацией CO₂ и происхождением CO₂. Данные по изотопу δ¹³ C, полученные в ходе этого исследования, показали, что особи Vicia faba в шести из восьми камер не показали статистических различий в содержании δ¹³ C; однако наблюдалось различие в содержании δ¹³ C у растений из камер 3 и 6. В камере 3 содержание растительного δ¹³ C было значительно ниже (среднее значение = -51,56, значение p < 0,05), чем во всех остальных камерах (среднее значение = -32,50). Такая большая разница в δ¹³ C створки камеры 3 позволяет предположить, что изотопное соотношение (¹³ C:¹²C) атмосферного CO₂ в камере 3 было ниже по сравнению с другими камерами. Объяснением этому могло быть то, что в камеры вводился дополнительный CO₂ из газовых баллонов. Когда экспериментальная заданная точка CO₂ составляет 390 ppm, концентрации CO₂ из окружающей среды попадают в камеры через заслонки (вентиляционные отверстия). Если заслонка случайно закрывается и/или если концентрация CO₂ в камере падает ниже заданного уровня, CO₂ из газовых баллонов впрыскивается в камеры для поддержания заданного значения. CO₂, используемый в баллонах со сжатым газом, производится из удобрений и/или нефтехимических процессов и сильно обеднен в ¹³С (Портер, неопубликованные данные). Если бы большие количества CO₂ были введены в камеру 3 из газовых баллонов, это привело бы к низкому δ¹³ CO₂ и в результате к очень низкой концентрации δ¹³C в листьях. Таким образом, низкое значение δ¹³C листа указывало на то, что источник CO₂, вероятно, происходил из газовых баллонов, и это могло либо поднять уровень CO₂ намного выше, чем 390 частей на миллион (камеры способны достигать уровня 2000 частей на миллион), либо просто дополнить уровень окружающего воздуха CO₂.

Совокупный учет всех измеренных показателей указывал на неисправность камеры 3. Отсутствие каких-либо статистических различий ни по F_v /F_m (максимальная фотохимическая эффективность фотосистемы II), ни по F_о /F_m (отношение выходов собственной флуоресценции сверх максимального выхода флуоресценции при насыщающем свете) показали, что низкие значения A_n и PI, наблюдаемые у растений в камере 3, не являются результатом фотоповреждения (рис. 1). Тем не менее, эти результаты можно интерпретировать в контексте потенциального повышения концентрации CO₂ в атмосфере внутри камеры роста растений 3, возможно, из-за неисправного датчика CO₂. Наблюдаемый более низкий фотосинтез может быть результатом «высокого CO₂», вызванного подавлением фотосинтеза, часто наблюдаемого у растений, выращенных при повышенном [CO₂]. В этих условиях растения имеют тенденцию вкладывать меньшее количество азота и демонстрируют снижение как максимальной скорости карбоксилирования, так и скорости транспорта электронов, поддерживая регенерацию рибулозо-1,5-бисфосфата (RuBP). Таким образом, результаты анализа стабильных изотопов углерода A_n и PI указывают на увеличение концентрации CO₂ в камере 3, что указывает на неисправность инфракрасного газоанализатора WMA-4, контролирующего CO₂.концентрации. Дрейф нулевой установки является распространенной неисправностью газоанализаторов, которая может привести к впрыску избыточного CO₂ из газовых баллонов. Альтернативно, неисправность могла привести к полному открытию электромагнитного клапана с впрыском 2000 ppm CO₂, однако это должно было активировать сигнализацию камеры, которая установлена на ±20 ppm от значения установки.

Пять отдельных признаков растений выявили «эффект камеры» в камере 6; они включали δ¹³ C, g_s, A_n, сырую массу и количество цветков (рис. 1). Четыре из пяти признаков (исключая g_s) также выявили эффект камеры в камере 3. Тенденции данных были схожими для обеих камер, например, большее количество цветков, более высокий свежий вес и снижение фотосинтеза по сравнению с другими камерами; таким образом, первоначально казалось, что причина камерного эффекта одинакова для обеих камер. Однако, несмотря на значения δ¹³ C из камеры 6 (среднее значение = −34,97, pзначение <0,05), значительно отличаясь от всех других камер, они не были такими низкими, как камера 3 (среднее значение = -51,56), и приближались по диапазону к остальным камерам (среднее значение = -32,50). Таким образом, небольшая разница в значениях δ¹³ C в створках камеры 6 не может быть связана с притоком обедненного по δ¹³ C CO₂ из газовых баллонов, а, наоборот, может отражать реакцию растений на другой тип воздействия камеры.

В ходе эксперимента на листьях камеры 6 были видны мелкие белые хлопья. По завершении исследования камеру полностью разобрали и удалили все внутренние стеновые панели. Коррозия всех металлических компонентов в камере произошла из-за смешивания газа SO₂ с водой из верхней системы распыления в предыдущем исследовании, что привело к образованию серной кислоты и накоплению сульфатных солей. Судя по всему, в ходе нашего эксперимента соли выходили через вентиляционные отверстия в камеру и оседали на листьях. Мы предполагаем, что, как и в камере 3, наблюдаемый в ней камерный эффект был разрешимым и возник в результате сильной коррозии и загрязнения внутренней среды камеры сернистым газом.

Рисунок 1

Неразрешимые эффекты камеры

Свежий вес и количество цветков выявили эффект камеры в камерах 2 и 8 соответственно. Этот эффект камеры кажется слабым, поскольку в каждом случае его можно было обнаружить только по одному признаку, и было обнаружено, что рассматриваемые камеры статистически отличимы только от 2–3 других камер; камера 2 отличается только от камер 4, 5 и 6, а камера 8 отличается только от камер 1 и 5. Поскольку при осмотре не было обнаружено никаких отклонений в этих камерах или оборудовании камеры, мы пришли к выводу, что камеры 2 и 8 имеют неразрешимый камерный эффект, т.е. эффект, вызванный неизвестными факторами. Тот факт, что этот эффект камеры не отражается на других признаках растений и что как сырой вес, так и количество цветков также могут обнаружить эффект в камерах 3 и 6, позволяет предположить, что это очень чувствительные методы.

Рекомендации по обнаружению разрешимых и неразрешимых камерных эффектов

Согласно нашим результатам, измерения свежего веса надземной биомассы и подсчета цветков являются наиболее эффективными, наименее затратными и быстрыми методами выявления камерных эффектов (рис. 2). Однако ни один из двух методов не позволяет различить разрешимые и неразрешимые камерные эффекты. Поэтому мы предлагаем использовать другие измеряемые характеристики в сочетании с весом в свежем виде и количеством цветков для обнаружения разрешимых эффектов камеры; к ним относятся соотношение стабильных изотопов углерода (¹³C: ¹²C) и/или чистая скорость ассимиляции CO₂ (A_n). Для экономии времени A_n предпочтительнее, поскольку это относительно быстрый метод, но для экспериментов с различными концентрациями CO₂ в атмосфере подходящим выбором будут стабильные изотопы углерода, поскольку значения изотопов углерода дают подробную информацию о происхождении и концентрации CO₂. Для обнаружения неразрешимых камерных эффектов экономически эффективными и эффективными по времени методами являются только вес в свежем виде и подсчет цветков.

При обнаружении разрешимого камерного эффекта его следует устранить до проведения экспериментов. Если обнаруживается неразрешимый камерный эффект, решение требует более активного повторения эксперимента. Это позволяет провести хороший статистический анализ как существующих эффектов камеры, так и эффектов, которые могут возникнуть в ходе эксперимента. Чтобы избежать потенциального внутрикамерного эффекта, растения следует размещать и вращать внутри камер в случайном порядке. Чтобы избежать камерных эффектов при межкамерных экспериментах, растения можно чередовать между повторными камерами роста растений в ходе эксперимента. Перемещая растения, каждый образец подвергается воздействию нескольких камер, что обеспечивает сглаженную тенденцию данных независимо от наличия эффекта камеры. Там, где это возможно, предпочтительно не использовать этот подход по двум причинам: (1) сглаженные значения данных могут не отражать истинные значения, поскольку все растения теперь подвергаются любому потенциальному эффекту камеры из-за вращения; (2) хотя сглаженный тренд минимизирует влияние камеры на отдельные растения, диапазон изменчивости данных, скорее всего, будет значительно увеличен поскольку он может включать совокупное изменение каждой камеры, при этом теряется информация о том, какая камера отвечает за эффект камеры. В отсутствие межкамерного вращения растений можно проследить камерные эффекты и объяснить наблюдаемую изменчивость данных.

Выводы

Камерные эффекты существуют для межкамерных экспериментов в виде разрешимых и неразрешимых эффектов. Первое можно определить по многим измеряемым характеристикам, таким как сырой вес, количество цветков, газообмен и стабильные изотопы углерода. В этом эксперименте не устраненные эффекты камеры выращивания растений, хотя и присутствовали, оказались слабыми и были обнаружены у Vicia faba только путем измерения свежего веса и подсчета цветков. Основная причина устранимых эффектов камеры потребовала расследования с последующим ремонтом неисправных компонентов и последующим пилотным исследованием, проведенным перед дальнейшими экспериментами. Чтобы снизить вероятность разрешимого эффекта камеры, возникающего в ходе эксперимента, мы рекомендуем регулярно использовать независимые датчики окружающей среды для CO₂, O₂, света и температуры, чтобы убедиться, что встроенные датчики камеры не сместились. Поскольку причина неразрешенных эффектов камеры неизвестна, их нелегко исправить, но их вызванную изменчивость можно свести к минимуму за счет ротации установок между камерами и/или увеличения репликации экспериментальных единиц.

Рисунок 2

Содержание

Часть 1. Предпосылки. Результаты и обсуждения.

Часть 2. Результаты и обсуждения (продолжение).

Часть 3. Методы