This study received supported from the National Research Foundation of Korea (NRF) (2011-0012728). A poster presenting this study was awarded the Best Poster Award by the Korean Society of Applied Biological Sciences (KSABC).

1. הגדרות ראשוניות <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מיני צמחי חקלאות <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש גן בלזם (תיגע balsamina), Mizuna (Rapa Brassica var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), ו Mescluns (שחליים sativum) זרעים. הערה: תיגע balsamina (גן בלזם או רוז בלזם) הוא מינים מקומיים להודו; חברים כמה נמצאים גם מיאנמר. Komatsuna (var Rapa Brassica. Perviridis או komatsuna) הינה נגזרת מאותו המין כמו לפת המשותף. גרגיר גן (שחליים sativum) הוא סוג של צמח זה קשור טקסונומית כדי גרגיר הנחלים וחרדל. יש להם טעמים דומים ריח, שעבורו הם מנוצלים 5,7 מסחריים. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תרבויות צמח <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> גן תרבות בלזם (תיגע balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (var Rapa Brassica. Perviridis), ו Mescluns (שחליים sativum) זרעים בקוטר 100 מ&quot;מ (100 pi) צלחת פטרי. ודא צלחת אחת מכילה רק סוג אחד של מינים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תנאי תרבות, למקם את הזרעים על מגבת תאית. לטבול את המגבת וזרעים במים מזוקקים משולשים. מדוד ולאשר כי RT המעבדה המקורה הוא 18-25 מעלות צלזיוס, עם לחות הנעה 65-75% (נא לבדוק סעיף 3.1.2). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לקבלת מספר הזרעים, תרבות 10 ± 1 זרעי גן בלזם, 50 ± 10 זרעי Mizuna, 330 ± 20 זרעי Komatsuna, ו -380 ± 20 זרעי Mescluns. השתמש תנאים זהים כפי שנמדדו 18-25 מעלות צלזיוס, עם לחות הנעה 65-75% (נא לבדוק סעיף 2.1.1). הערה: כל הניסויים בוצעו על תנאי מקורה עם הלחות המוסדרת טווח טמפרטורות במעבדה. הלחות והטמפרטורה לא היה סטטי, אלא גם סיפק את התנאים זהים עבור בקבוצה שטופלה מגנט ושליטה. </li></ol></li></ol> 2. תרבות של ארבעה צמחים חקלאות<ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> נוהל ניסיוני <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עקוב סעיף 1.2.3) עבור מינים של תנאי צמח וההתרבות מלאות קבוצת המגנט מיושמת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> החל שלושה מגנטים של 1,750 ± 350 גאוס (10,000 גאוס = 1 טסלה) בתחתית 100 המנות pi עבור גן בלזם. במהלך היישום, להבטיח כי שלושת המגנטים אינם באים במגע ישיר עם הזרעים, והם מופרדים על ידי בתחתית הפלסטיק של צלחת פטרי. המרחק הישיר בין זרעים ומגנטים צריך להיות 2-4 מ&quot;מ. החל מגנטים עבור 168 שעות (7 ימים) במשך ארבעה צמחים חקלאיים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בעקבות כל הצעדים זהים ב 2.1.2), חל שני מגנטים, אחד (צד N פונה כלפי מעלה) על מגנט העליון ואחרים (צד S פונה כלפי מעלה) על החלק התחתון של צלחת תרבות בלזם הגן. הערה: עמודי מוחלים באופן שונה גן בלזם. עם זאת, אורינטצית המוט אינו נחשבה כגורם מכריע במחקר זה לשינויי צמיחה, כמו כל הסביבות זהות למעט בכיווןשל השטף המגנטי. מטרת יישום מוט N ו- S עבור גן בלזם היה לראות היכולת המעשית שלה להשתמש בו בתחומים, שם האוריינטציה מוט יכול להיות קשה לניהול. </li></ol></li></ol> 3. טובולין מכתים גן בלזם <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יישומים מגנט עם מצב אור מוסדר <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים שני מגנטים (N מוט פונה כלפי מעלה) בתחתית הצלחת 100 מ&quot;מ במשך 48 שעות, באמצעות תנאים בשלב 1.2.2. הערה: עבור שינוי של אור, את כלי התרבות הונחו על מדף פלסטיק בחממה. החממה שמשה יירוט של אור וטמפרטורת שמירה של 25 מעלות צלזיוס למשך 48 שעות בסביבות חשוכות. בסופו של דבר, המצב הזה לא היה בשימוש בניסוי זה בשל וריאציות גבוהות באורך צמיחה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מכתים צמח <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תקן צמח פרח כפול SPP impatiens כולו, (כולל גזע ושורשים) גדל על התנאים זהים עם צעד 3.1.2) ב paraformaldehyde 4% ו -0.1 Mחיץ פוספט (pH 7.4) במשך 15 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את המדגם impatiens לטבול במשך שעה 2. בחסימת המאגר (אלבומין בסרום שור סוס 2% בסרום / 1% / 0.1% Triton X-100 ב- PBS, pH 7.5). לשטוף את המדגם impatiens ידי טבילה עם PBS במשך 15 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עבור immunostaining כפול, דגירה המדגם עם נוגדן ראשוני, טובולין אנטי-אלפא (1: 1,000), O / N ב 4 ° C. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את המדגם לטבול את דגימות פעם עם PBS במשך 10 דקות כדי לשטוף. השתמש FITC- מצומדות אנטי עכבר IgG (1: 400) כמו נוגדנים משני דגירה במשך שעה 2 ב 25 מעלות צלזיוס. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לטבול את המדגם ב PBS ומכסים להחליק המדגם כולו התחתון של 24 הצלחת היטב. להשיג תמונות באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי קונבנציונאלי להתבונן אוריינטציה טובולין (λ = 550 ננומטר, מוגדל 100X, 200X ו 400X). הערה: במקרה זה, בקבוצה שטופלה מגנט (n = 10) ובקרות (n = 11) אושרו עבור גן בלזם (תיגע balsamina) בלבד, גדל בתנאים שאינם כהה. </li&gt; </ol></li></ol> 4. נתוני שיטות איסוף <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יצירת זמן לשגות של גידול צמחי ארבעת חקלאים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לצלם את המפעל ב 10 מרווחי דקות, על ידי הגדרת תריס אוטומטית (זה יכול להיעשות בכל מצלמה דיגיטלית). הגדר את הצמצם F 3.2 ואת ערך ISO 400. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אסוף 700-900 תמונות עבור 7-10 ימים. חבר את המצלמה עם חוטי חשמל מאז יכול להיות מדולדלת סוללה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> גרור את התמונות על ידי לחיצה ושחרור כל תמונה כרונולוגית מתחת לקו ההזרמה עם תוכנת moviemaking (ראה חומרי שולחן וציוד). שים את זה על קו זרימה ב משכים שווים של .045-.05 שניות לכל לתוך הכולל סרט של 30-40 שניות. בדוק כך שאין פערים כהים עם בחירת כל תמונה לפי סדר כרונולוגי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר שלב 4.1.3, לחץ כפתור ההפעלה בתוכנה כדי להבטיח את הידור-הסרט לתוך שקופית וידאו 30-40 שניות זמן לשגות ולחץ לעבד ולשמור .mpeg או בפורמט .avi. עבור גודל markers, השתמש רובע קנדי, פנים אמריקאים, וסרגל סנטימטר בצד של התמונה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בצע t -test ותיבת עלילה לניתוח סטטיסטי 11,12. הערה: קבוצות סיכומים חמש-מספר ששימשו בחישוב הגבול התחתון (L) ערך כמו Q1 - [1.5 × (Q3 - Q1)] ואת מגבלת גבוה (H) ערך כמו Q3 + [1.5 × (Q3 - Q1) ]. גישה זו שולבה צעד 1.2.2 עבור נתונים אורכים אוסף 11. ערכי L ו- H להציג את אזור 99% של מגרשי T-ההפצה, כלומר נקודות הנתונים שנצפו מחוץ לטווח זה חריג יכולה להיחשב. מגרשים Box ו- t של סטודנט -test שימשו לנתח את ההבדלים ב לגבהים של שתילי 12. </li></ol></li></ol>

<ol>
	<li>Martin, F. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+measurement+of+pollen+tube+growth+inhibition.">In vitro measurement of pollen tube growth inhibition.</a> Plant Physiol. 49, 924-925 (1972).</li><li>Pfahler, P. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+germination+characteristics+of+maize+pollen+to+detect+biological+activity+of+environmental+pollutants.">In vitro germination characteristics of maize pollen to detect biological activity of environmental pollutants.</a> Environ Health Perspect. 37, 125-132 (1981).</li><li>Yao, Z., Tan, X., Du, H., Luo, B., Liu, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+high-current+microwave+ion+source+with+permanent+magnet+and+its+beam+emittance+measurement.">A high-current microwave ion source with permanent magnet and its beam emittance measurement.</a> Rev Sci Instrum. 79, 073304 (2008).</li><li>Hendrickson, C. L., Drader, J. J., Laude, D. A., Guan, S., Marshall, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fourier+transform+ion+cyclotron+resonance+mass+spectrometry+in+a+20+T+resistive+magnet.">Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry in a 20 T resistive magnet.</a> Rapid Commun Mass Spectrom. 10, 1829-1832 (1996).</li><li>Namba, K., Sasao, A., Shibusawa, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=EFFECT+OF+MAGNETIC+FIELD+ON+GERMINATION+AND+PLANT+GROWTH.">EFFECT OF MAGNETIC FIELD ON GERMINATION AND PLANT GROWTH.</a> Acta Hort. 399, 143-148 (1995).</li><li>Hirota, N., Nakagawa, J., Kitazawa, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+a+magnetic+field+on+the+germination+of+plants.">Effects of a magnetic field on the germination of plants.</a> Journals of Applied Physics. 85, 5717-5719 (1999).</li><li>Penuelas, J., Llusia, J., Martinez, B., Fontcuberta, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diamagnetic+Susceptibility+and+Root+Growth+Responses+to+Magnetic+Fields+in+Lens+culinaris,+Glycine+soja,+and+Triticum+aestivum.">Diamagnetic Susceptibility and Root Growth Responses to Magnetic Fields in Lens culinaris, Glycine soja, and Triticum aestivum.</a> Electromagnetic Biology and Medicine. 23, 97-112 (2004).</li><li>Carbonell, M. V., Martinez, E., Amaya, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stimulation+of+germination+in+rice+(Oryza+Sativa+L.)+by+a+static+magnetic+field.">Stimulation of germination in rice (Oryza Sativa L.) by a static magnetic field.</a> Electro- and Magnetobiology. 19, 121-128 (2000).</li><li>Oakley, R. V., Wang, Y. S., Ramakrishna, W., Harding, S. A., Tsai, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Differential+expansion+and+expression+of+alpha-+and+beta-tubulin+gene+families+in+Populus.">Differential expansion and expression of alpha- and beta-tubulin gene families in Populus.</a> Plant Physiol. 145, 961-973 (2007).</li><li>Hoson, T., Matsumoto, S., Soga, K., Wakabayashi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cortical+microtubules+are+responsible+for+gravity+resistance+in+plants.">Cortical microtubules are responsible for gravity resistance in plants.</a> Plant Signal Behav. 5, 752-754 (2010).</li><li>Kim, S., Im, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Static+magnetic+fields+inhibit+proliferation+and+disperse+subcellular+localization+of+gamma+complex+protein3+in+cultured+C2C12+myoblast+cells.">Static magnetic fields inhibit proliferation and disperse subcellular localization of gamma complex protein3 in cultured C2C12 myoblast cells.</a> Cell Biochem Biophys. 57, 1-8 (2010).</li><li>Benjamini, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Opening+the+Box+of+a+Boxplot.">Opening the Box of a Boxplot.</a> The American Statistician. 42, 257-262 (1988).</li></ol>

The Authors have nothing to disclose.

בכל התנאים, מגנטים יש להחיל מתחת לצלחת פטרי. מחקר זה בדק את ההשפעה של שדות מגנטיים על שיעור צמיחה של זרעים כמה מינים חקלאיים, עם דגש על הגן בלזם כנציג של צמחים חקלאיים. למשל, מכתים טובולין בוצע על הגן בלזם להעריך את השינויים המולקולרית ברמת שורש גזע-מבני מייקרו שלד מצבי...

נביטה היא הצמיחה של צמח שגורם להיווצרות של השתיל 1. בתנאים מסוימים, נביטת זרעים מתחילה ואת הרקמות העובריות לחדש את הצמיחה. זה מתחיל עם הידרציה לזרע כדי להפעיל אנזימים עבור נביטה. זרעים יכולים להיגרם לנבוט במבחנה (בצלחת פטרי או מבחנה) 1,2. שדות מגנטיים סטטיים הם כוחות מיוחדים שגורמים תנועות של מולקולות עם חיובים יוניים בדרך של כוח לורנץ 3,4. הכח לורנץ נוצר כאשר מהלכים אובייקט מיונן או לדין בשל עבירה לפי שדה מגנטי. כל חומר נוצר עם אטומים אשר מורכבים של אלקטרונים ופרוטונים. כאשר השדות המגנטיים להיות נוכחים, בין אם זה הוא סטטי או לסירוגין, זה משפיע על התנועה של החומר טעון. זה חל גם על צמחים ובעלי מולקולות מים, אשר משפיעה על מצב המולקולה התאי. במחקר קודם, סלילים אלקטרומגנטיים שימשוכדי ליצור שדות מגנטיים פעמו, והצמחים &#39;Komatsuna&#39; נבחרו הנושאים 5. במחקר הנוכחי, מגנט שנוצר ושדה מגנטי סטטי שימשו לתת השפעות דומות אך שונות כמו מחקר הרחבת כוח לורנץ. התדירות של השדה המגנטי, ולא הקוטביות שלה, היא גורם מכריע עבור נביטת צמח. מחקרים קודמים הציעו כי שיעורי נביטת מקסימום היו 20% מהצעת מחיר הבקרה כאשר התדירות של השדה המגנטי הייתה כ -10 הרץ. כאשר השדה הוסר באופן מדרדר, שיעור הצמיחה נפגע 5. יש שדות מגנטיים סטטיים השפעה ניכרת על 6-8 הצמיחה הראשונית, בעיקר על נביטה וצמיחה 6 שורש 7. במחקר הנוכחי, השתמשנו מגנטים סטטיים לבחון את האפשרות להסדיר את הצמיחה של צמחים חקלאיים באמצעות שדות מגנטיים. בפרט, מטרתנו הייתה דetermine אם תנאים מסוימים של יישום שדה מגנטי יכולים להגדיל את שיעורי צמיחה לרמות גבוהות יותר מאלה המוזכרים בספרות. יתר על כן, אם הנביטה הראשונית של צמחים ניתן להגדיל בהצלחה באמצעות שדה מגנטי, השימוש בדשנים כימיים ניתן להימנע מכך.

<table><tbody><tr><td>Static magnets</td><td>JIM</td><td></td><td>2000Gauss</td></tr><tr><td>2% horse serum/1% bovine serum albumin/0.1% Triton X-100</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Merged with 55514</td><td>Blocking buffer</td></tr><tr><td>Primary antibody</td><td>Santa Cruz Biotechnology</td><td>sc-8035</td><td>a-Tubulin</td></tr><tr><td>Secondary antibody</td><td>Santa Cruz Biotechnology</td><td>sc-2010</td><td>FITC-conjugated anti-mouse IgG</td></tr><tr><td>time lapse photographic techniques</td><td>Manually controlled</td><td></td><td>ISO value 400 &amp;amp; aperture F 3.2</td></tr><tr><td>Sony Vegas Pro 13.0</td><td>Sony</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

enhancement of the initial growth rate of agricultural plants by using static magnetic fields

מכשירים אלקטרוניים וחוטי מתח גבוה לגרום שדות מגנטיים. שדה מגנטי של 1,300-2,500 גאוס (0.2 טסלה) היה מוחל על צלחות פטרי המכילות זרעי גן בלזם (תיגע balsamina), Mizuna (Brassica rapa var. Japonica), Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis), ו Mescluns (שחליים sativum ). יישמנו מגנטים מתחת לצלחת התרבות. במהלך 4 ימי יישום, צפינו כי אורך גבעול השורש גדל. הקבוצה לייחס שדה מגנטי (n = 10) הראתה פי 1.4 מהר יותר בקצב הצמיחה בהשוואה לקבוצת הביקורת (n = 11) בסך של 8 ימים (p &lt;0.0005). שיעור זה גבוה ב -20% מזה שדווח במחקרים קודמים. הקווים מורכבים טובולין לא היה חיבור נקודות, אבל נקודות חיבור להתרחש על פי בקשה של מגנטים. זה מראה הבדל מוחלט מהשלט, כלומר הסדרים חריגים. עם זאת, את הסיבה המדויקת עדיין לא ברורה. מיל אלהאולטס של שיפור צמיחה של החלת מגנטים מראה כי אפשר לשפר את קצב הצמיחה, להגדיל את התפוקה, או לשלוט במהירות של נביטה של ​​צמחים על ידי החלת שדות מגנטיים סטטיים. כמו כן, שדות מגנטיים יכולים לגרום לשינויים פיסיולוגיים בתאי צמח והוא יכול לגרום לצמיחה. לכן, גירוי עם שדה מגנטי יכול להיות השפעה אפשרית הדום לאלה של דשנים כימיים, כלומר השימוש בדשנים ניתן להימנע מכך.

מכתים טובולין הראה מפוזר או דליל מבני צמחים הגדלים בנוכחות המגנט לעומת השליטה (איור 2). יתר על כן, 7 יום לימודי הזמן לשגות עם צמחים חקלאיים כולל Komatsuna (Brassica rapa var. Perviridis) ו Mescluns (שחליים sativum) מצביעים על כך מגנט נגזר שדה מגנטי סטטי מגדיל א...

Watch this Scientific Journal Video about Enhancement of the Initial Growth Rate of Agricultural Plants by Using Static Magnetic Fields at JoVE.com

Enhancement of the Initial Growth Rate of Agricultural Plants by Using Static Magnetic Fields

The goal of this protocol is to demonstrate the acceleration of the initial growth rate of plants by applying static magnetic fields with no external energy.

שיפור של שיעור הצמיחה הראשוני של צמחים חקלאיים באמצעות שדות מגנטיים סטטיים

Electronic devices and high-voltage wires induce magnetic fields. A magnetic field of 1,300-2,500 Gauss (0.2 Tesla) was applied to Petri dishes containing ...

enhancement-initial-growth-rate-agricultural-plants-using-static

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Physics

Environment

Unit 1

Magnetic Forces and Fields

SCIENTISTS IN ACTION

13.2K Views.  Yonsei University. The goal of this protocol is to demonstrate the acceleration of the initial growth rate of plants by applying static magnetic fields with no external energy.

Video: Enhancement of the Initial Growth Rate of Agricultural Plants by Using Static Magnetic Fields

Geomagnetic Field (Gmf) and Plant Evolution: Investigating the Effects of Gmf Reversal on Arabidopsis thaliana Development and Gene Expression

One of the most stimulating observations in plant evolution is a correlation between the occurrence of geomagnetic field (GMF) reversals (or excursions) and the moment of the radiation of Angiosperms. This led to the hypothesis that alterations in GMF polarity may play a role in plant evolution. Here, we describe a method to test this hypothesis by exposing Arabidopsis thaliana to artificially reversed GMF conditions. We used a three-axis magnetometer and the collected data were used to calculate the magnitude of the GMF. Three DC power supplies were connected to three Helmholtz coil pairs and were controlled by a computer to alter the GMF conditions. Plants grown in Petri plates were exposed to both normal and reversed GMF conditions. Sham exposure experiments were also performed. Exposed plants were photographed during the experiment and images were analyzed to calculate root length and leaf areas. Arabidopsis total RNA was extracted and Quantitative Real Time-PCR (qPCR) analyses were performed on gene expression of CRUCIFERIN 3 (CRU3), copper transport protein1 (COTP1), Redox Responsive Transcription Factor1 (RRTF1), Fe Superoxide Dismutase 1, (FSD1), Catalase3 (CAT3), Thylakoidal Ascorbate Peroxidase (TAPX), a cytosolic Ascorbate Peroxidase1 (APX1), and NADPH/respiratory burst oxidase protein D (RbohD). Four different reference genes were analysed to normalize the results of the qPCR. The best of the four genes was selected and the most stable gene for normalization was used. Our data show for the first time that reversing the GMF polarity using triaxial coils has significant effects on plant growth and gene expression. This supports the hypothesis that GMF reversal contributes to inducing changes in plant development that might justify a higher selective pressure, eventually leading to plant evolution.

Geomagnetic Field Gmf and Plant Evolution: Investigating the Effects of Gmf Reversal on Arabidopsis thaliana Development and Gene Expression

This protocol describes a method to test the hypothesis that the reversal of the effective geomagnetic field (GMF) induces differential gene expression and alters the morphology of Arabidopsis thaliana. A triaxial octagonal system of Helmholtz coil-pairs was used to artificially generate reversed GMF conditions in the plant growth chamber.

גאומגנטית שדה (GMF) וצמח אבולוציה: לחקור את ההשפעות של ביטול GMF ב<em&gt; Thaliana ארבידופסיס</em&gt; ביטוי פיתוח וג&#39;ין

One of the most stimulating observations in plant evolution is a correlation between the occurrence of geomagnetic field (GMF) reversals (or excursions) ...

Developmental Biology

Robotic Sensing and Stimuli Provision for Guided Plant Growth

Robot systems are actively researched for manipulation of natural plants, typically restricted to agricultural automation activities such as harvest, irrigation, and mechanical weed control. Extending this research, we introduce here a novel methodology to manipulate the directional growth of plants via their natural mechanisms for signaling and hormone distribution. An effective methodology of robotic stimuli provision can open up possibilities for new experimentation with later developmental phases in plants, or for new biotechnology applications such as shaping plants for green walls. Interaction with plants presents several robotic challenges, including short-range sensing of small and variable plant organs, and the controlled actuation of plant responses that are impacted by the environment in addition to the provided stimuli. In order to steer plant growth, we develop a group of immobile robots with sensors to detect the proximity of growing tips, and with diodes to provide light stimuli that actuate phototropism. The robots are tested with the climbing common bean, Phaseolus vulgaris, in experiments having durations up to five weeks in a controlled environment. With robots sequentially emitting blue light-peak emission at wavelength 465 nm-plant growth is successfully steered through successive binary decisions along mechanical supports to reach target positions. Growth patterns are tested in a setup up to 180 cm in height, with plant stems grown up to roughly 250 cm in cumulative length over a period of approximately seven weeks. The robots coordinate themselves and operate fully autonomously. They detect approaching plant tips by infrared proximity sensors and communicate via radio to switch between blue light stimuli and dormant status, as required. Overall, the obtained results support the effectiveness of combining robot and plant experiment methodologies, for the study of potentially complex interactions between natural and engineered autonomous systems.

Distributed robot nodes provide sequences of blue light stimuli to steer the growth trajectories of climbing plants. By activating natural phototropism, the robots guide the plants through binary left-right decisions, growing them into predefined patterns that by contrast are not possible when the robots are dormant.

הקצאת חישה רובוטית וגירויים לגידול הצמח המודרך

Robot systems are actively researched for manipulation of natural plants, typically restricted to agricultural automation activities such as harvest, ...

Engineering

3D Magnetic Stem Cell Aggregation and Bioreactor Maturation for Cartilage Regeneration

Cartilage engineering remains a challenge due to the difficulties in creating an in vitro functional implant similar to the native tissue. An approach recently explored for the development of autologous replacements involves the differentiation of stem cells into chondrocytes. To initiate this chondrogenesis, a degree of compaction of the stem cells is required; hence, we demonstrated the feasibility of magnetically condensing cells, both within thick scaffolds and scaffold-free, using miniaturized magnetic field sources as cell attractors. This magnetic approach was also used to guide aggregate fusion and to build scaffold-free, organized, three-dimensional (3D) tissues several millimeters in size. In addition to having an enhanced size, the tissue formed by magnetic-driven fusion presented a significant increase in the expression of collagen II, and a similar trend was observed for aggrecan expression. As the native cartilage was subjected to forces that influenced its 3D structure, dynamic maturation was also performed. A bioreactor that provides mechanical stimuli was used to culture the magnetically seeded scaffolds over a 21-day period. Bioreactor maturation largely improved chondrogenesis into the cellularized scaffolds; the extracellular matrix obtained under these conditions was rich in collagen II and aggrecan. This work outlines the innovative potential of magnetic condensation of labeled stem cells and dynamic maturation in a bioreactor for improved chondrogenic differentiation, both scaffold-free and within polysaccharide scaffolds.

Chondrogenesis from stem cells requires fine tuning the culture conditions. Here, we present a magnetic approach for condensing cells, an essential step to initiate chondrogenesis. In addition, we show that dynamic maturation in a bioreactor applies mechanical stimulation to the cellular constructs and enhances cartilaginous extracellular matrix production.

צבירת Cell מגנטי גזע 3D והתבגרות Bioreactor להתחדשות סחוס

Cartilage engineering remains a challenge due to the difficulties in creating an in vitro functional implant similar to the native tissue. An approach ...

Bioengineering

External Excitation of Neurons Using Electric and Magnetic Fields in One- and Two-dimensional Cultures

A neuron will fire an action potential when its membrane potential exceeds a certain threshold. In typical activity of the brain, this occurs as a result of chemical inputs to its synapses. However, neurons can also be excited by an imposed electric field. In particular, recent clinical applications activate neurons by creating an electric field externally. It is therefore of interest to investigate how the neuron responds to the external field and what causes the action potential. Fortunately, precise and controlled application of an external electric field is possible for embryonic neuronal cells that are excised, dissociated and grown in cultures. This allows the investigation of these questions in a highly reproducible system.
In this paper some of the techniques used for controlled application of external electric field on neuronal cultures are reviewed. The networks can be either one dimensional, i.e. patterned in linear forms or allowed to grow on the whole plane of the substrate, and thus two dimensional. Furthermore, the excitation can be created by the direct application of electric field via electrodes immersed in the fluid (bath electrodes) or by inducing the electric field using the remote creation of magnetic pulses.

Neuronal cultures are a good model for studying emerging brain stimulation techniques via their effect on single neurons or a population of neurons. Presented here are different methods for stimulation of patterned neuronal cultures by an electric field produced directly by bath electrodes or induced by a time-varying magnetic field.

עירור החיצוני של הנוירונים באמצעות שדות חשמליים ומגנטיים ב אחד&quot; ותרבויות דו ממדים

A neuron will fire an action potential when its membrane potential exceeds a certain threshold. In typical activity of the brain, this occurs as a result ...

Neuroscience

Electric and Magnetic Field Devices for Stimulation of Biological Tissues

Electric fields (EFs) and magnetic fields (MFs) have been widely used by tissue engineering to improve cell dynamics such as proliferation, migration, differentiation, morphology, and molecular synthesis. However, variables such stimuli strength and stimulation times need to be considered when stimulating either cells, tissues or scaffolds. Given that EFs and MFs vary according to cellular response, it remains unclear how to build devices that generate adequate biophysical stimuli to stimulate biological samples. In fact, there is a lack of evidence regarding the calculation and distribution when biophysical stimuli are applied. This protocol is focused on the design and manufacture of devices to generate EFs and MFs and implementation of a computational methodology to predict biophysical stimuli distribution inside and outside of biological samples. The EF device was composed of two parallel stainless-steel electrodes located at the top and bottom of biological cultures. Electrodes were connected to an oscillator to generate voltages (50, 100, 150 and 200 Vp-p) at 60 kHz. The MF device was composed of a coil, which was energized with a transformer to generate a current (1 A) and voltage (6 V) at 60 Hz. A polymethyl methacrylate support was built to locate the biological cultures in the middle of the coil. The computational simulation elucidated the homogeneous distribution of EFs and MFs inside and outside of biological tissues. This computational model is a promising tool that can modify parameters such as voltages, frequencies, tissue morphologies, well plate types, electrodes and coil size to estimate the EFs and MFs to achieve a cellular response.

This protocol describes the step-by-step process to build both electrical and magnetic stimulators used to stimulate biological tissues. The protocol includes a guideline to simulate computationally electric and magnetic fields and manufacture of stimulator devices.

התקני שדה חשמליים ומגנטיים לגירוי רקמות ביולוגיות

Electric fields (EFs) and magnetic fields (MFs) have been widely used by tissue engineering to improve cell dynamics such as proliferation, migration, ...

Optimization and Utilization of Agrobacterium-mediated Transient Protein Production in Nicotiana

Agrobacterium-mediated transient protein production in plants is a promising approach to produce vaccine antigens and therapeutic proteins within a short period of time. However, this technology is only just beginning to be applied to large-scale production as many technological obstacles to scale up are now being overcome. Here, we demonstrate a simple and reproducible method for industrial-scale transient protein production based on vacuum infiltration of Nicotiana plants with Agrobacteria carrying launch vectors. Optimization of Agrobacterium cultivation in AB medium allows direct dilution of the bacterial culture in Milli-Q water, simplifying the infiltration process. Among three tested species of Nicotiana, N. excelsiana (N. benthamiana &#215; N. excelsior) was selected as the most promising host due to the ease of infiltration, high level of reporter protein production, and about two-fold higher biomass production under controlled environmental conditions. Induction of Agrobacterium harboring pBID4-GFP (Tobacco mosaic virus-based) using chemicals such as acetosyringone and monosaccharide had no effect on the protein production level. Infiltrating plant under 50 to 100 mbar for 30 or 60 sec resulted in about 95% infiltration of plant leaf tissues. Infiltration with Agrobacterium laboratory strain GV3101 showed the highest protein production compared to Agrobacteria laboratory strains LBA4404 and C58C1 and wild-type Agrobacteria strains at6, at10, at77 and A4. Co-expression of a viral RNA silencing suppressor, p23 or p19, in N. benthamiana resulted in earlier accumulation and increased production (15-25%) of target protein (influenza virus hemagglutinin).

Optimization and Utilization of Agrobacterium-mediated Transient Protein Production in Nicotiana

Transient protein production in Nicotiana plants based on vacuum infiltration with Agrobacteria carrying launch vectors (Tobacco mosaic virus-based) is a rapid and economic approach to produce vaccine antigens and therapeutic proteins. We simplified the procedure and improved target accumulation by optimizing conditions of bacteria cultivation, selecting host species, and co-introducing RNA silencing suppressors.

אופטימיזציה וניצול<em&gt; Agrobacterium</emייצור חלבון חלוף&gt; בתיווך ב<em&gt; Nicotiana</em

Agrobacterium-mediated transient protein production in plants is a promising approach to produce vaccine antigens and therapeutic proteins within a short ...

Biology

In Vitro and In Vivo Delivery of Magnetic Nanoparticle Hyperthermia Using a Custom-Built Delivery System

Hyperthermia has long been used in the treatment of cancer. Techniques have varied from the intra-tumoral insertion of hot iron rods, to systemically delivered tumor antibody-targeted magnetic nanoparticles, at temperatures from 39 &#730;C (fever-level) to 1,000 &#730;C (electrocautery) and treatment times from seconds to hours. The temperature-time relationship (thermal dose) dictates the effect with high thermal doses resulting in the tissue ablation and lower thermal doses resulting in sublethal effects such as increased blood flow, accumulation of drugs and immune stimulation. One of the most promising current medical therapies is magnetic nanoparticle hyperthermia&#160; (mNPH). This technique involves activating magnetic nanoparticles, that can be delivered systemically or intratumorally, with a non-invasive, non-toxic alternating magnetic field. The size, construct and association of the magnetic nanoparticles and the frequency and field strength of the magnetic field are major heating determinants. We have developed sophisticated instrumentation and techniques for delivering reproducible magnetic nanoparticle hyperthermia in large and small animal models and cultured cells. This approach, using continuous, real time temperature monitoring in multiple locations, allows for the delivery of well-defined thermal doses to the target tissue (tumor) or cells while limiting non-target tissue heating. Precise control and monitoring of temperature, in multiple sites, and use of the industry standard algorithm (cumulative equivalent minutes at 43 &#730;C /CEM43), allows for an accurate determination and quantification of thermal dose. Our system, which allows for a wide variety of temperatures, thermal doses, and biological effects, was developed through a combination of commercial acquisitions and inhouse engineering and biology developments. This system has been optimized in a manner that allows for the rapid conversion between ex vivo, in vitro, and in vivo techniques. The goal of this protocol is to demonstrate how to design, develop and implement an effective technique and system for delivering reproducible and accurate magnetic nanoparticle therapy (mNP) hyperthermia.

This protocol presents techniques and methodology necessary for the accurate delivery of magnetic nanoparticle hyperthermia using a sophisticated delivery and monitoring system.

העברת in vitro ו- in vivo של היפרתרמיה של ננו-חלקיקים מגנטיים באמצעות מערכת אספקה שנבנתה בהתאמה אישית

Hyperthermia has long been used in the treatment of cancer. Techniques have varied from the intra-tumoral insertion of hot iron rods, to systemically ...

Medicine

Growing Magnetotactic Bacteria of the Genus Magnetospirillum: Strains MSR-1, AMB-1 and MS-1

Magnetotactic bacteria are Gram-negative, motile, mainly aquatic prokaryotes ubiquitous in freshwater and marine habitats. They are characterized by their ability to biomineralize magnetosomes, which are magnetic nanometer-sized crystals of magnetite (Fe3O4) or greigite (Fe3S4) surrounded by a lipid bilayer membrane, within their cytoplasm. For most known magnetotactic bacteria, magnetosomes are assembled in chains inside the cytoplasm, thereby conferring a permanent magnetic dipole moment to the cells and causing them to align passively with external magnetic fields. Because of these specific features, magnetotactic bacteria have a great potential for commercial and medical applications. However, most species are microaerophilic and have specific O2 concentration requirements, making them more difficult to grow routinely than many other bacteria such as Escherichia coli. Here we present detailed protocols for growing three of the most widely studied strains of magnetotactic bacteria, all belonging to the genus Magnetospirillum. These methods allow for precise control of the O2 concentration made available to the bacteria, in order to ensure that they grow normally and synthesize magnetosomes. Growing magnetotactic bacteria for further studies using these procedures does not require the experimentalist to be an expert in microbiology. The general methods presented in this article may also be used to isolate and culture other magnetotactic bacteria, although it is likely that growth media chemical composition will need to be modified.

Growing Magnetotactic Bacteria of the Genus Magnetospirillum: Strains MSR-1, AMB-1 and MS-1

We present a procedure for growing several strains of Magnetospirillum in two different types of growth media. Magnetospirillum gryphiswaldense strain MSR-1 is grown in both liquid and O2 concentration gradient semi-solid media while M. magneticum strain AMB-1 and M. magnetotacticum strain MS-1 are grown in liquid medium.

גידול חיידקים Magnetotactic של סוג Magnetospirillum: זנים MSR-1, השגריר-1 ו- MS-1

Magnetotactic bacteria are Gram-negative, motile, mainly aquatic prokaryotes ubiquitous in freshwater and marine habitats. They are characterized by their ...

MRM Microcoil Performance Calibration and Usage Demonstrated on Medicago truncatula Roots at 22 T

This protocol describes a signal-to-noise ratio (SNR) calibration and sample preparation method for solenoidal microcoils combined with biological samples, designed for high-resolution magnetic resonance imaging (MRI), also referred to as MR microscopy (MRM). It may be used at pre-clinical MRI spectrometers, demonstrated on Medicago truncatula root samples. Microcoils increase sensitivity by matching the size of the RF resonator to the size of the sample of interest, thereby enabling higher image resolutions in a given data acquisition time. Due to the relatively simple design, solenoidal microcoils are straightforward and cheap to construct and can be easily adapted to the sample requirements. Systematically, we explain how to calibrate new or home-built microcoils, using a reference solution. The calibration steps include: pulse power determination using a nutation curve; estimation of RF-field homogeneity; and calculating a volume-normalized signal-to-noise ratio (SNR) using standard pulse sequences. Important steps in sample preparation for small biological samples are discussed, as well as possible mitigating factors such as magnetic susceptibility differences. The applications of an optimized solenoid coil are demonstrated by high-resolution (13 x 13 x 13 &#956;m3, 2.2 pL) 3D imaging of a root sample.

MRM Microcoil Performance Calibration and Usage Demonstrated on Medicago truncatula Roots at 22 T

A protocol to study biological tissue at high spatial resolution using ultra-high field magnetic resonance microscopy (MRM) using microcoils is presented. Step-by-step instructions are provided for characterizing the microcoils. Finally, optimization of imaging is demonstrated on plant roots.

כיול ביצועים מיקרוקול MRM ושימוש הפגינו על שורשי truncatula Medicago ב 22 T

This protocol describes a signal-to-noise ratio (SNR) calibration and sample preparation method for solenoidal microcoils combined with biological ...

Stimulation of Patterned Neuronal Cultures by a Magnetic Field

Source: Stern, S., et al., <a href="https://app.jove.com/v/54357">External Excitation of Neurons Using Electric and Magnetic Fields in One- and Two-dimensional Cultures.</a> J. Vis. Exp. (2017)
This video demonstrates a method for stimulating neuronal cultures grown in a patterned circular ring on a coverslip, using a time-varying magnetic field.

גירוי של תרביות עצביות על ידי שדה מגנטי

1. Preparation of coverslips for 1D cultures.

	Clean glass coverslips by immersion in a base piranha solution consisting of 75 mL DDW, 25 mL 25% ammonia ...

שיפור של שיעור הצמיחה הראשוני של צמחים חקלאיים באמצעות שדות מגנטיים סטטיים

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video

גאומגנטית שדה (GMF) וצמח אבולוציה: לחקור את ההשפעות של ביטול GMF ב