ВНИМАНИЕ! Двигатель, используемый для Т-16 – воздушноохлаждаемый.

• Набор необходимого электрооборудования, включающий стартер, реле и аккумуляторную батарею с генератором;
• Дополнительное оснащение системой гидравлики, включающей насос, распределитель, силовой цилиндр.

Навесное оборудование

Навесное оборудование – незаменимая часть производственных процессов, в которых принимает участие тракторное шасси. Благодаря ему функции и возможности машины могут быть расширены до максимума, делая ее универсальной.

Это могут быть:

1. Плуги, сеялки и культиваторы;
2. Обработчики картофеля – сажалки и копалки;
3. Экскаваторное оборудование;
4. Механизмы для заготовки сена (косилки и др. ).

С их помощью Т-16 сможет копать и перевозить землю, убирать снег и мусор, работать на стройплощадке, разрабатывать сельхозугодья и многое другое. Навесное оборудование обычно приобретается отдельно от трактора в зависимости от потребности – для коммунальных, строительных, транспортировочных либо сельскохозяйственных нужд.

Т 16 после модернизации

Т-16 как таковой производился всего несколько лет – с 1961-го по 1967-ой год. Самоходные шасси последующих лет выпуска – это его модификации, получившие более совершенные элементы устройства, наиболее мощные новые двигатели и различные другие нововведения.

т 16 м

Т-16м является самой первой моделью, созданной на базе Т-16. На этой машине был установлен двигатель с большей мощностью – 25 л.с., позволяющий увеличить максимальную скорость передвижения до 23,2 км/ч. При этом минимальная скорость, получаемая через ходоуменьшитель, стала возможна до 1,6 км/ч, что позволило использовать трактор в абсолютно любых сельскохозяйственных и дорожных работах.

т 16 мг

Т-16мг продолжил модельную линейку Т-16 с 1986-го года. Его двигатель, как и у Т-16м, поддерживает мощность 25 л.с., но большинство узлов и механизмов претерпели изменения, повысившие общие удобство и надежность спецмашины:

• Платформа трактора была оснащена самосвальной системой;
• Новый дизель стал поддерживать скорость передвижения до 40,17 км/ч;
• Появилась полностью металлическая закрытая кабина и многое другое.

Благодаря свойствам самосвала тракторное шасси Т-16мг стало более активно использоваться в качестве транспортировочного средства, а три вала отбора мощностей (независимый и два синхронных) улучшили производительность работы с навесным оборудованием.

Видео трактора т-16 в работе:

Характеристики Т-16. Обзор трактора Т-16 ХТЗСШ

Разместите заявку на покупку техники или запчастей для спецтехники!

Ваша заявка отправлена.

Источник фото: dic.academic.ruФото Т-16

Технические характеристики Т-16, масса

Особенностью трактора Т-16 является необычное расположение кабины и силового агрегата: двигатель находится сзади кабины, а она в свою очередь установлена перед кузовом. Такой вариант размещения позволяет хорошо видеть с водительского места рабочие органы и обрабатываемою зону.

Малые габариты, а также широкий ассортимент доступного навесного оборудования сделали трактор Т-16 популярным среди промышленных и сельскохозяйственных предприятий.

Двигатель

Тип охлаждения 2-цилиндрового двигателя с непосредственным впрыском, которым оборудовались тракторы Т-16, — воздушное. Конструкция силового агрегата не позволяла установить предпусковой подогреватель. В связи с этим возникали проблемы с запуском двигателя при низкой температуре воздуха.

Расход топлива в 274 г/кВт*ч считается довольно низким: этого удалось достичь благодаря тому, что в силовом агрегате трактора Т-16 было использовано предкамерное смесеобразование.

Источник фото: agromania.com.uaСуществует две модификации трактора Т-16

Из особенностей конструкции дизельного двигателя Д-16 можно отметить, во-первых, его расположение (сзади), во-вторых, в качестве остова использован картер корпуса.

Модификации Т-16

С 1967 года на заводе в Харькове начали выпускать модель Т-16М, масса которой — 1,8 тонны. Ее основным отличием стало наличие замедлителя хода, с помощью которого минимальное значение рабочей скорости трактора составило 1,6 км/ч. Также модель оснащалась более мощным двигателем Д-21А (22 л.с./18,4 кВт). Производилась модель до 1995 года.

На смену ей пришел более легкий трактор Т-16МГ (1,7 тонны) с доработанным силовым агрегатом. Установка модернизированного двигателя позволила увеличить транспортную скорость модели до 40 км/ч.

Габариты

Техническое обслуживание

Продольная база трактора Т-16 составляет 2 500 мм. В сочетании с малым радиусом поворота это обеспечило высокую маневренность трактора при эксплуатации в ограниченном пространстве или в закрытом помещении.

Главным недостатком модели трактора Т-16 можно назвать конструкцию двигателя, которая не предусматривает установку предпускового подогревателя. Это чревато тем, что при температуре воздуха ниже минус 10⁰С машина с большой долей вероятности не заведется.

Вторым недостатком можно назвать уменьшение числа производимых запчастей для этой модели. А это всегда чревато проблемами при ремонте машины.

Источник фото: commons.wikimedia.orgФото Т-16

Несмотря на наличие минусов владения данной моделью, плюсов гораздо больше. Это и низкая стоимость трактора, и рабочая универсальность, и хорошая ремонтопригодность. Большой выбор навесного оборудования для машины позволяет использовать его в абсолютно разных сферах деятельности.

Немаловажным является тот факт, что имеется возможность самостоятельного обслуживания Т-16. Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, все узлы и агрегаты трактора обладают увеличенным рабочим ресурсом.

Аналоги

Исходя из основных технических характеристик, к числу аналогов можно отнести следующие модели: ХТЗ Т-16, МТЗ 320, МТЗ 320.4М, МТЗ 320.4, ВТЗ Т-25А, МТЗ 421, ХТЗ Т-25, МТЗ 410, МТЗ 311M, МТЗ 321M.

Видео

Видео — с канала ильназ Галиев

Отзыв ВТЗ Т-16М 1989 г.

Решил написать о первом транспортном средстве с ДВС, на котором довелось поездить. Случилось это случайно и как-то спонтанно, но мой водительский опыт начался именно с него.

Наверное все, кто застал союз и ранние 90е, помнят, как во дворах ЖЕКов и различных ремонтно-строительных организаций стояли эти несуразные конструкции. Узкие, высокие, с нетрадиционной компоновкой (кабина сзади, кузов впереди), на огромных задних колёсах и почти обязательно красного цвета. ХТЗ/ВТЗ Т-16. Это не танк. Это гораздо серьёзнее. Аппарат, запущенный в серию в 1961 году, продержался на конвейере с модернизацией в 1976м до 95го. Чего только не делали на их шасси… машины для нанесения дорожной разметки, экскаваторы, погрузчики, вариантов 20 сельхозмашин…и — главное — бортовые тракторы. Почему главное? Да про них отзыв. Итак, ближе к делу.

Год, наверное, 92й. Отец — счастливый обладатель места в гаражном кооперативе. И вот на этом самом месте строится гараж. Как строили в провинции подобные архитектурные сооружения в те годы, знают, наверное, не все. В пятницу вечером группа будущих счастливых владельцев гаражей выставляла начальнику транспортного хозяйства предприятия… что последний употреблял. После чего ранним утром с субботу брали на предприятии трактор, или грузовик и ехали за стройматериалами. В нашем случае это был именно Т-16. Помню, ещё тогда поражался, как эта конструкция кустарного вида может перевозить плиты тоннами и рубероид центнерами при мощности…16-25 л.с. Причём громких сил: тарахтение смешного дизелька из-под кабины легко заглушало магистральный тепловоз (возле гаражей была ж/д ветка). Наверное, дело в подборе передаточных чисел трансмиссии и немалого объёма дизеля для такой мощности. Кстати, коробка передач была шестиступенчатая, и максимальная скорость на высшей, шестой, передаче составляла 23,3 км/ч по ТТХ. Но из кабины казалось, что просто летим!

И однажды, получив «добро» от Васи (тракториста), отец посадил меня за руль. Было мне лет 7 или 8, но эти первые метры я запомнил на всю жизнь. Поворот ключа, какие-то хитрые манипуляции с тумблерами доморощенной «противоугонки», стартер (ножной! — как у Победы), и кабина заполняется…нет, ПЕРЕполняется шумом и вибрациями. А через стекло левой двери видно, как Вася пытается что-то проорать. Отец открывает дверь: «Первую малому включи – он не сможет». Я начинаю нехорошо думать о Васе: я знаю, где здесь первая! Но причина, оказывается, не в этом. Я выжимаю сцепление и отец в прямом смысле вбивает первую передачу… да, тогда я бы так точно не смог. «Газ не жми» — кричит папа в левое ухо, и я плавно отпускаю сцепление… фиг! Возвратная пружина (подозреваю, что самопальная) пнула мою ногу с такой силой, что я упёрся в спинку сидения и еле удержал руль. Зато я еду! «Куда ты едешь?!» — кричит отец, а я начинаю судорожно выкручивать руль, чтобы не съехать в котлован под чей-то будущий гараж… едем!

Обзорность – даром, что кабина застеклена «по кругу» (вот откуда мода на панорамное остекление =)) — никакая: вибрации таковы, что колебания стёкол с колебанием глазного нерва совместить непросто.  Кроме того, если водитель трактора маленького роста или в кузове лежит что-то выше верхней кромки бортов, пиши пропало. «Слепая зона» может достигать метров 20-25ти (для меня специально откинули передний борт, сократив её до 4-5 метров). А ночью совсем беда, поскольку фары расположены на передних стойках кабины. Там же расположены малюсенькие зеркала (помните советские пудреницы? Похоже, оттуда!)… Скорость — как у старушки с ревматизмом, а сквозняки уже гуляют по кабине. (А зимой как?!) Рулевое управление… как сказать: оно не то, что неинформативное… впечатление, что жёсткая связь между колёсами и рулём отсутствует напрочь. Хотя если учесть количество разнообразных механических передач на пути от руля к колёсам, ничего удивительного в этом нет. Зато руль можно вращать и школьнику, а главное – это чудо инженерной мысли даже можно удержать на прямой.

Ещё одна манипуляция со сцеплением — и вторая… м-да… вибраций меньше, шума — больше, но ехать в принципе можно. На лихачества не тянет абсолютно, ведь амплитуда колебаний высокой относительно рамы кабины за счёт козлящего подобия подвески заставляет инстинктивно втягивать голову в плечи (инстинкт самосохранения подсказывает: а вдруг эта дрянь перевернётся? Хотя, справедливости ради, должен сказать: ни разу не видел Т-16 на боку). Зато я понял, почему трактористы все сутулые… А вот проходимость — это явно сильная сторона трактора! Клиренс сантиметров в 40, загруженные ведущие колёса (диаметр дисков на глаз — дюймов 25-27), тяговитый дизель, небольшая собственная масса и абсолютная неубиваемость конструкции позволяют преодолевать броды выше полуметра, месить непролазную грязь или снег и прыгать через рельсы железной дороги (правда, последнее — за счёт исключительного героизма тракториста: Вася привставал на сидении держался за руль, чтобы от удара задницей о просиженное сидение после «приземления» не сломать позвоночник. Так можно дать представление о жёсткости и энергоёмкости подвески).

Тормоза. Для динамических характеристик этого эрзац-пикапа их достаточно. Помогает и то, что даже при сбросе газа на высшей передаче скорость тут же падает до 15 км/ч (опять-таки, по ощущениям, я даже не уверен, что там был спидометр )). Но, я думаю, разгонись трактор хотя бы до 40 километров в час, их бы не хватило. Кстати, если я не ошибаюсь, значительная часть этих агрегатов имеет тормоза только сзади.

Комфорт… кое-кто тут писал о ГАЗ-69, мол, машина начисто лишена комфорта и водить её — тяжёлый труд… Я ездил на 69м только пассажиром, поэтому спорить не берусь, но что касается шума, вибраций и пыле-ветро-сквозняко-изоляции ГАЗ 69 воспринимается намного лучше, причём с тентом. К тому же, какая-никакая, но эргономика там хотя бы проглядывается. В Т-16 её нет вообще. Зато есть впечатление, что при проектировании конструкции сначала забыли, что её кто-то должен водить, а затем вспомнили и по остаточному принципу влепили кабину и расположили в ней органы управления по принципу: «Не хотел учиться в школе — вот и мучайся всю жизнь!». Впрочем, любой советский трактор, кроме Кировца (ездил пассажиром, ощущения не сравнимы ни с чем!) – это пытка. Даже тридцатилетний Hino, John Deer или Cat так не изматывают.

Уважение на дороге… ну что тут напишешь? Как бы Вы отнеслись к ярко-ржавой груде металла на колёсах, громко пылящей вдоль обочины с небритым, злым, уставшим и часто нетрезвым водителем? Правильно! Я тоже объезжаю и держусь подальше. Тем более, что я-то знаю, чем это пахнет, и мне искренне не хочется усложнять этим парням их и без того нелёгкую работу… Так что в этом аспекте статус у Т-16 повыше некоторых Бентли ))

Ну, вот, вроде, и написал всё, что хотел. Над бы подвести итоги… а итог таков: в 1961 году ЭТО было необходимым как в городе, так и в селе. Сейчас же конструкция безнадёжно устарела морально, и производство свернули не зря.

Трактор Т-16 «Шассик» — возможности, конструктивные особенности

Трактор Т-16 – это тракторное шасси, оснащенное мотором, расположенным в задней части агрегата. Этот популярный отечественный представитель позволяет устанавливать любое навесное оборудование – от погрузочного инвентаря до мотопилы или дорожных щеток.

История появления и предназначение модели

В качестве базовой модели трактор Т-16 начал выходить с конвейера Харьковского завода тракторных конструкций в далеком 1961 году. В 1967 г. выпуск агрегата был приостановлен, но спустя пару лет модель доработали и продолжили ее выпуск аж до 1996 года. В самом начале трактор Т-16 представлялся, как «наследник» одноцилиндровой модели ДСШ-14. В отличие от своего предшественника, более новый «харьковчанин» имел мощный двухцилиндровый двигатель, работающий от гидросистемы навесной инвентарь и шины с низким давлением.

С первых дней своего появления трактор «шассик» предназначался для выполнения сельскохозяйственных работ, которые требовали не высоких мощностей, а такой характеристики, как маневренности и аккуратности. Тем не менее, сразу же после своего появления модель стала практически универсальной. Трактор Т-16 «шассик» стал применяться в таких сферах, как:

• Разноплановая обработка грунтов – подготовка борозд, пахота и культивация;
• Перевозка грузов в стационарной платформе спереди;
• Транспортировка большого количества багажа, если сделать прицеп для установки в задней части трактора;
• С целью выполнения специализированных операций – экскаваторных, для работы с куном, как косилка;
• Как мобильный привод для различного инвентаря, требующего подключения к постоянному источнику энергии – лебедок, пилы или сварочных аппаратов.

Все это сделало модель и ее модификацию трактор Т-16М настоящим любимчиком отечественных фермеров. Ведь покупая недорогой агрегат, землевладельцы могли уверено использовать его практически во всех сферах жизнедеятельности.

Плюсы и минусы агрегата

К основным достоинствам модели нужно отнести его невысокую стоимость и хорошую грузоподъемность в сочетании с продолжительным сроком эксплуатации. Многие вышедшие в 80-х трактора и по сей день активно трудятcя на полях своих владельцев благодаря наличию надежных запчастей. К остальным преимуществам модели относиться:

• Надежная трансмиссия, с которой можно работать без специальной подготовки. Трактор легко ремонтируется без помощи мастера;
• Отличная маневренность – небольшие габариты и хороший обзор позволяют разворачивать агрегат на небольшой площади;
• Возможность усовершенствования отдельных узлов машины;
• Высокая проходимость дает возможность эксплуатировать модель практически на любом дорожном покрытии и при любой погоде;
• Аккуратная обработка грунта легким колесником, который не утаптывает верхний слой земли;
• Агрегат можно успешно использовать зимой за счет мотора с воздушным охлаждением. Эксплуатация машины не требует использования каких-либо замерзающих жидкостей;
• Широкие возможности переделки. О том, что можно сделать из трактора Т-16 различные машины для хозяйства, слышали даже начинающие фермеры.

Устройство отечественного трактора

Основной конструктивной особенностью модели является расположение ее мотора – двигатель трактора расположен позади кабины. При этом в передней части конструкции находятся приспособления для установки очистителя снега или другого инвентаря. В стандартной комплектации передняя часть рамы снабжена самосвальной платформой.

Конструкция мотора

Агрегат комплектуется 4-тактным, двухцилиндровым дизельным двигателем Д-16, мощностью 16 л. с.

Двигатель работает по стандартной схеме в паре с системой воздушного охлаждения.

Среди других особенностей мотора выделяется:

• Наличие предкамеры в головке цилиндров. Ее объем составляет примерно 35 % от общего объема камеры сгорания. Эта деталь предназначена для образования топливной смеси;
• Наличие всего необходимого для повышения рабочей эффективности: кривошипно-шатунного устройства, механизма распределения газа, систем питания и смазки;
• Применения алюминиевой крышки в качестве каркаса картера;
• Наличие основного и синхронного валов отбора мощности.

Запуск мотора выполняется посредством стартера или при помощи буксировки – «пускач» у этого трактора отсутствует.

Особенности трансмиссии

Отечественная модель оснащается двумя парами колес разного диаметра. Задние колеса больше передних. Помимо этого трактор снабжен механизмом, позволяющим менять ширину колеи для каждой пары и смещать центр тяжести к задней оси агрегата. Перед этим потребуется снять выжимной подшипник и перевести каналы гидравлики. Благодаря этому, машину можно использовать с целью прополки грунта, опрыскивания от насекомых и окучивания. В независимости от того, сколько весит навесное оборудование, результат работы всегда будет отличным. Передача тяги к элементам ходовой выполняется при помощи механической системы, которая располагается в том же месте, где находятся номерные агрегаты трактора. В конструкцию этого устройства входит:

• Однодисковое фрикционное сцепление замкнутого типа;
• 7-скоростная механическая КПП, изготовленная из прямозубых шестерней;
• Сухие ленточные тормоза, работающие от механического привода.

Конструкция системы практически не имеет лишних элементов, благодаря чему, если и ломается, то ее достаточно легко отремонтировать самостоятельно. К примеру, владельцу не составит труда заменить дифференциал или выполнить ряд других ремонтных работ.

При необходимости можно повысить возможность агрегата проходить препятствия. Однако перед тем, как улучшить проходимость трактора, следует проверить исправность сцепления и коробки переключения передач.

Гидравлика и электрическое оборудование

В качестве гидравлической системы трактора выступают 2 выносных силовых цилиндра. Они работают под контролем специального гидрораспределителя, позволяющего регулировать скорость потоков рабочих смесей и защищающего конструкцию от перегрузок.

Гидрораспределитель работает в 4 положениях: нейтральном, плавающем, опускным и подъемным. Именно благодаря наличию этого механизма владелец трактора может использовать грейферную установку, предварительно отрегулировав заднюю гидронавеску.

В стандартной комплектации трактор снабжается электрическими приборами, работающими под 12-вольтнм напряжением.

К ним относится:

• Стартер для пуска;
• Реле;
• Блок аккумулятора;
• Генератор.

Благодаря оснащению генератором, трактор можно использовать в паре с циркуляционными пилами и сварочными аппаратами.

Кабина и рулевая колонка модели

Вначале модели Т-16 не оборудовались кабиной, а имели только одно открытое операторское сиденье. Новые модели, выпускаемые после 70-ого года, снабжались удобными кабинами. Благодаря им, работать на тракторе можно было в дождливую погоду. К тому же, они защищали оператора от травм при работе с навеской.

Рулевая колонка агрегата состоит из таких элементов:

• Радиального подшипника, удерживающего карданный вал;
• Кольца для стопора;
• Шарнира для соединения с рулем.

Отсутствие лишних деталей делает ремонт и обслуживание конструкции своими руками более удобным и безопасным, как для владельца, так и для трактора.

Навесной инвентарь для трактора

Агрегат с передним ведущим мостом может работать с различным оборудованием.

При этом большое значение имеют размеры инвентаря. В список используемых приспособлений относятся:

• Разные плуги, культиваторы и сеялки;
• Картофелесажалки и картофелекопалки;
• Небольшого погрузчика;
• Сенокосилки;
• Платформы и прицепы.

Благодаря возможности эксплуатировать практически весь известный навесной инвентарь, трактор пользуется большой популярностью и в наши дни. Его по праву можно считать надежным компаньоном любого фермера.

ᐉ КПП, дифференциал от Мотор-Агро

Запчасти на КПП, дифференциал для трактора моделей Т-16, Т-25Ф, Т-25

КПП Т-16 представляет собой семь передач переднего хода и одну заднего. Валы находятся поперек продольной оси шасси, из-за чего и снижен продольный размер, и есть возможность передачи вращения на дифференциал при помощи цилиндрических шестерен.

Крутящий момент передается через шестерню конического вала главного сцепления на ведомую шестерню установленную на шлицы конца первичного вала КПП. На первичном валу еще стоят подвижные блоки шестерен 2-ой и 3-ей передачи, 5-ой и 6-ой передач и неподвижная шестерня 4-ой передачи. ВШ 1-ой передачи установлена шпонке (призм.) и постоянно сцеплена с шестерней блока заднего хода.

В неподвижном состоянии на вторичном валу расположены блоки шестерен 5-ой и 6-ой передачи, дифференциал и 2-ой передачи, третьей передачи; подвижно установлены шестерни 4-ой передачи и заднего хода, первой и замедляющей передачи. Внизу корпуса трансмиссии на шариковых подшипниках установлена шестерни заднего хода и дополнительной передачи. На оси также стоит блок шестерен заднего хода. Шестерня замедленной передачи, производимой с осью блока и находящейся в постоянной сцепке с промежуточной шестерней.

Дифференциал Т-16 нужен чтобы для обеспечивать независимое вращение ведущих колёс с различными скоростями во время поворотов и движения по неровностям. Состоит из двух сателлитов установленных на ось, 2-х конических полуосевых шестерен на шлицевых концах полуосей, корпуса с крышкой. Сферические шайбы из латуни стоят между корпусом и сателлитами. На корпус дифференциала установлен венец шестерни дифференциала. Вращается он на двух шариковых подшипниках. Подшипник слева установлен в корпус ГП, подшипник справа стоит в стакане. В случае движения по прямой и в условиях равного сопротивление движению ведущих колес агрегата корпус дифференциала вместе с полуосями вращается одним целым. Равная угловая скорость обоих полуосей получается путем заклинивания сателлитами конических полуосевых шестерен.

Движение по влажной либо слабосвязанной поверхности дает сниженную проходимость из-за дифференциала. Когда одно колесо попадает на участок с небольшими сцепными свойствами, есть возможность повышения проходимости путем блокировки дифференциала. При этом жесткое соединение полуосей вращает их вместе, давая тем самым шасси преодолевать сложные участки с помощью сцепных свойств второго ведущего колеса.

Механизм блокировки состоит из перемещающейся по шлицевым канавкам правой полуоси кулачковой муфты, вилки блокировки дифференциала, штока, пружины напр. втулки, рычага штока и оси вместе с педалью. Ось находится на крышке блокировки дифференциала закрепленной непосредственно на крышке корпуса ГП. Нажимая на педаль рычаг поднимается шток и при этом сжимает пружину. Палец вилки блокировки смещается со штоком вверх вызывая поворот вилки на осях качения находящихся в приливах стаканов подшипников. В этом случае нижние концы вилок и сухарями двигаются по направлению к дифференциалу до момента полного входа кулачков муфты во впадины крышки корпуса дифференциала. Полуоси при этом соединены жестко. Окончив пробуксовку педаль нужно отпустить. В этом случае муфта возвращается в обычное положение автоматически и происходит разъединение полуосей.

Оптический модулятор с контролируемой проницаемостью и метаматериалом Tri-gate: управление проницаемостью на платформе фотонной интеграции на основе InP

Наиболее важными параметрами для фотонных устройств ^1,2,3 являются электрическая проницаемость ε и магнитная проницаемость μ материалов используется в устройстве. Относительная проницаемость каждого природного материала равна 1 на оптических частотах, потому что намагниченность природных материалов не может следовать за переменным магнитным полем света.Таким образом, при разработке фотонных устройств мы могли контролировать только один параметр, диэлектрическую проницаемость . Однако появление метаматериалов сняло это ограничение и позволило нам предпринять шаги к неизведанным областям ε-μ ^{4,5,6,7,8,9,10,11,12} . Эта парадигма метаматериалов дает нам возможность для дальнейшего развития фотонных устройств с новыми оптическими функциями, таких как накопитель радужного света ^13,14 , маскировка-невидимка ^{15,16,17,18,19,20,21,22 , 23,24} и изображения со сверхвысоким разрешением ^25,26,27 .

В качестве нового применения метаматериалов мы здесь показываем возможность управления проницаемостью в фотонных платформах на основе InP. В отличие от диэлектрической проницаемости, проницаемость полупроводников AIIIBV трудно уйти от μ = 1 на оптических частотах. Однако, используя метаматериалы, мы можем изменить проницаемость с помощью управляющего сигнала, как описано ниже. Изменение проницаемости в дополнение к диэлектрической проницаемости вызывает большую модуляцию показателя преломления полупроводников.Это облегчает манипулирование светом и управление фотонами ^28,29 и превратит обычные оптические устройства в малогабаритные высокопроизводительные устройства для фотонной интеграции.

Важные требования к устройствам с переменной проницаемостью для фотонной интеграции заключаются в том, чтобы (i) устройство было совместимо с планарной волноводной структурой на фотонных платформах на основе InP и (ii) его изменение проницаемости контролировалось внешним электрическим сигналом. Рассмотрены несколько методов создания метаматериалов с переменными магнитными свойствами; ведущими примерами являются решетка резонаторов с разъемным кольцом в сочетании с приводами микроэлектромеханической системы (МЭМС) ³⁰ и оптически управляемым модулятором на основе кремния с настройкой отрицательного индекса ^31,32 .Однако ни один из них не отвечает вышеупомянутым требованиям и не может быть применен к фотонным интегрированным устройствам. В качестве нового метода мы предлагаем управлять магнитными свойствами метаматериала с помощью электрически индуцированного накопления носителей в полупроводниках на основе InP. Здесь мы демонстрируем оптический модулятор InGaAsP / InP, который регулирует интенсивность света, изменяя проницаемость своего волновода с помощью сигнала напряжения. Устройство имеет форму волновода, поэтому его можно монолитно интегрировать с другими оптическими устройствами на основе волноводов.

Изготовленный нами оптический модулятор с регулируемой проницаемостью показан на рис. 1 (а). Он состоит из InGaAsP / InP интерферометра Маха-Цендера (MZI) с метаматериалом «tri-gate» (TGM), прикрепленным к плечам MZI. TGM представляет собой решетку резонаторов с разъемным кольцом (SRR) в сочетании с элементами полевого эффекта с тремя затворами (см. Рис. 1 (b)). Каждый SRR состоит из металлического кольца Ti / Au, сформированного на покрытой Al ₂ O ₃ ребристой поверхности (InGaAs) плеч InGaAs. Металлическое кольцо охватывает ребра с трех сторон, образуя элементы полевого эффекта с тройными воротами.Отдельный SRR действует как LC-резонансный контур, состоящий из катушки индуктивности, образованной кольцом SRR, и конденсатора, образованного ребрами InGaAs с тройным затвором. Если входной TE-поляризованный свет имеет частоту, равную LC-резонансу, циркулирующий ток индуцируется в SRR и создает магнитный дипольный момент в ответ на входной свет. Следовательно, ТГМ работает как метаматериал с неединичной проницаемостью.

Оптический модулятор с контролем проницаемости с использованием метаматериала.

(а) Структура устройства, состоящего из интерферометра Маха-Цендера InGaAsP / InP с трехзатворными метаматериалами. (b) Элементарная ячейка метаматериалов с тройным затвором, состоящая из SRR и элементов полевого эффекта с тройным затвором (вверху) и поперечное сечение плеча Маха-Цендера с метаматериалом с тройным затвором (внизу).

Чтобы контролировать проницаемость с помощью внешнего сигнала напряжения, мы разместили на TGM управляющий вентиль, который емкостным образом связан с SRR. В этой структуре каждый SRR действует как плавающий электрод с тройным затвором в дополнение к своей роли ЖК-резонатора.Приложение положительного напряжения к управляющему затвору индуцирует электроны в ребрах, чтобы изменить емкость и, следовательно, резонанс SRR. Таким образом, мы можем управлять магнитным откликом SRR, тем самым контролируя проницаемость TGM, с помощью управляющего напряжения затвора.

Мы смоделировали распределение наведенной электронной плотности в ребре с помощью трехмерного симулятора устройства TCAD (см. Методы). На рисунке 2 (а) показаны результаты, рассчитанные для управления напряжением затвора В _g = 0 В и В _g = 20 В.На рис. 2 (b) изображена наведенная электронная плотность вдоль вертикальной центральной линии (красная линия в верхней части рис. 2 (а)) и горизонтальной центральной линии (синяя линия в верхней части рис. 2 (а)), причем В _г в качестве параметра. Концентрация электронов в ребре эффективно модулируется управляющим напряжением затвора из-за структуры с тремя затворами. Таким образом, мы можем управлять резонансом SRR, тем самым изменяя проницаемость TGM. Собственная скорость этого устройства ограничена скоростью накопления / исчезновения электронов в ребре при двухпозиционном возбуждении напряжения затвора.На рис. 2 (c) показана зависимость наведенной электронной плотности в центре ребра от времени, рассчитанная с помощью трехмерного симулятора устройства TCAD. Скорости накопления и угасания электронов составляют 1,5 и 2,0 пс соответственно. Этот результат указывает на то, что с помощью этого модулятора может быть достигнута рабочая скорость более 50 ГГц (электрод бегущей волны не потребуется, поскольку длина плеча MZ устройства в конечном итоге станет меньше 50 мкм).

Модуляция электронной плотности в структуре с тремя затворами, смоделированная с помощью трехмерного TCAD.

(a) Плотность электронов, индуцированная в ребре InGaAs при управляющих напряжениях затвора В _г = 0 В и 20 В. (b) Накопленные плотности электронов вдоль горизонтальной центральной линии (направление x, синяя линия на рис. 2 (a)) и вертикальная центральная линия (направление y, красная линия на рис. 2 (a)) ребра с управляющим напряжением затвора в качестве параметра. (c) Зависимость от времени накопления несущих (синяя линия) / затухания (красная линия) в центре элемента полевого эффекта с тремя затворами при двухпозиционном возбуждении напряжения затвора (переключается при t = 2 пс).

Перед изготовлением реальных модуляторов мы изготовили массив TGM на пластине InGaAs / InP и оценили его оптические свойства путем измерения на пластине на длине волны около 1,55 мкм (см. Рис. 3 (а)). Процесс изготовления был следующим. Сначала с помощью электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления CH ₄ / H ₂ была сформирована сетка из ребер InGaAs на поверхности пластины, а затем слой Al ₂ O ₃ толщиной 10 нм был депонирован. Затем квадратные кольца SRR (состоящие из Ti толщиной 10 нм и Au толщиной 30 нм) были изготовлены с использованием процесса отрыва.Элементы полевого эффекта с тройным затвором автоматически формировались в точках пересечения между кольцами SRR и ребрами. После этого на поверхности был сформирован слой SiO ₂ толщиной 100 нм путем плазменного химического осаждения из газовой фазы. На рисунке 3 (a) показаны микрофотографии TGM (до осаждения SiO ₂ ) с наклонным электронным сканированием с размерами SRR: (i) внешний размер кольца = 300 × 300 нм, (2) ширина кольцевой проволоки = 50 нм, ( iii) ширина ребра, включая слой Al ₂ O ₃ = 75 нм и (iv) высота ребра = 60 нм.Мы изготовили несколько ТГМ с разными размерами колец SRR.

Оптическое измерение TGM.

(a) TGM, наблюдаемый с помощью сканирующей электронной микроскопии: наклонный вид TGM, сформированного на пластине InGaAs / InP, и увеличенный вид отдельного блока TGM (слева). Трехмерный вид TGM на пластине InGaAs / InP с двумя световыми волнами, бегущими перпендикулярно и параллельно плоскости TGM (справа). (b) Спектры пропускания для нормального света с размером кольца SRR в качестве параметра, с результатами моделирования колец SRR 300 × 300, 400 × 400, 500 × 500 нм, рассчитанными для нормального света (Моделирование 1) и 300 × 300 нм Кольцо SRR рассчитано для параллельного света (Моделирование 2).(c) Распределение электрического и магнитного поля вокруг SRR на каждой резонансной частоте (A, B и C). Распределение векторного поля также отображается красной стрелкой.

Мы измерили спектры пропускания TGM для входящего света, движущегося перпендикулярно плоскости TGM, с помощью инфракрасного спектрометра с преобразованием Фурье (FTIR). Чтобы прояснить эффект взаимодействия между входящим светом и SRR, мы измерили отношение интенсивности передачи экспериментального устройства (с TGM) к интенсивности пропускания контрольного устройства (без TGM) на той же пластине.На рисунке 3 (b) показан результат с размером кольца SRR в качестве параметра. Входной свет, который движется перпендикулярно плоскости TGM, не имеет магнитной связи с TGM, оставляя только резонанс Ми, вызванный резонансом частица-плазмон на поверхности металлического кольца SRR. Резонансная частота Ми увеличивалась с уменьшением размера SRR и достигала частот, близких к инфракрасной (≈230 ТГц).

На рисунке 3 (b) также показаны смоделированные спектры пропускания каждого TGM, рассчитанные для входящего света, движущегося перпендикулярно плоскости TGM (так же, как в предыдущем измерении FTIR) и параллельно плоскости TGM (так же, как при реальной работе устройства. ) с использованием метода конечных элементов (МКЭ).В этом моделировании проводимость металлического кольца была определена в соответствии с моделью Друде, а проводимость полупроводников III-V на основе InP со свободными носителями была рассчитана с учетом заполнения зон (эффект Бурштейна-Мосса), сокращение зазора и поглощение свободных носителей (плазменный эффект) ³³ (см. Методы). Для входящего света, проходящего перпендикулярно плоскости TGM с SRR 300 × 300 нм, наблюдался только резонанс Ми TGM на частоте около 230 ТГц (точка A), что согласуется с нашими измерениями FTIR.Напротив, входящий свет, идущий параллельно плоскости TGM, демонстрирует ЖК-резонанс на частоте 185 ТГц (точка C) в дополнение к резонансу Ми на частоте 230 ТГц (точка B). Это означает, что в реальных устройствах TGM будет магнитно взаимодействовать с входным TE-поляризованным светом, создавая отличную от единицы проницаемость на длинах волн оптической связи (около 193 ТГц). Теоретические и экспериментальные данные согласуются для нормального падающего света, и поэтому мы можем быть уверены, что результаты расчетов для параллельного падающего света также будут соответствовать реальным характеристикам метаматериала.

На рисунке 3 (c) показано распределение электрического и магнитного полей вокруг SRR на каждой резонансной частоте (точки A, B и C), а распределение векторных полей также показано красной стрелкой. Для входящего света, движущегося перпендикулярно плоскости TGM (Моделирование 1), электрическое поле присутствует параллельно двум симметричным сторонам разрезного кольца, и ток в перпендикулярных направлениях был незначительным (A и B). Напротив, для света TE-режима, движущегося параллельно плоскости TGM (Моделирование 2), магнитное поле, перпендикулярное оси разрезного кольца, создавало циркулирующий ток через накопление заряда в зазоре.Индукционное магнитное поле также создается внутри кольца TGM для подавления внешнего магнитного поля.

На основе этих результатов мы разработали и изготовили оптический модулятор с контролируемой проницаемостью следующим образом. Три слоя, т.е. внутренний слой InGaAsP (λ _г = 1,22 мкм, толщина 200 нм), слой оболочки InP n-типа (толщина 350 нм, 5 × 10 ¹⁷ / см ³ ) и канал ребра из нелегированного InGaAs (50 нм), выращивались в этом порядке на подложке InP n-типа с ориентацией (100) методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений.Затем на этой поверхности формировали ТГМ по ранее описанной процедуре. После этого были сформированы картины ИМЦ с использованием электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления CH ₄ / H ₂ . Наконец, устройство было полностью покрыто слоем SiO ₂ , а электроды были нанесены на верхнюю часть устройства и на слой оболочки InP (см. Рис. 1 (b)). Верхний электрод — это управляющий затвор. Напряжение затвора прикладывается между двумя электродами.

На рис. 4 (а) показан вид сверху изготовленного оптического модулятора, наблюдаемый с помощью оптического микроскопа.TGM формируется на одном плече каждого MZI. В дальнейшем мы называем это подразделение «активным подразделением TGM». Длина активного плеча TGM (то есть длина TGM вдоль плеча) была установлена ​​на 200 мкм. Чтобы поддерживать баланс между двумя руками, мы сформировали манекен TGM на другом плече каждого MZI. Макет TGM имеет почти такую ​​же структуру, что и активное плечо TGM, но не имеет магнитного взаимодействия со светом 1,55 мкм. На рис. 4 (b) показаны виды под наклоном активной и фиктивной TGM до того, как был сформирован паттерн MZI. Манекен TGM отличается от активного TGM количеством надрезов кольца SRR (4 надреза для активного и 2 надреза для манекена).На рис. 4 (c) показаны смоделированные спектры пропускания активного и фиктивного TGM, рассчитанные для падающего света параллельно массиву TGM с использованием FEM. В отличие от активного TGM, манекен не показывает магнитного резонанса (резонанс LC ), потому что его резонансная частота намного ниже частот оптической связи (<100 ТГц).

Оптический модулятор с регулируемой проницаемостью.

(a) Вид сверху под оптическим микроскопом. (b) Вид под углом активных и фиктивных массивов TGM (до формирования картины MZI), наблюдаемых с помощью сканирующей электронной микроскопии.Длина массива TGM вдоль плеча была установлена ​​на 200 мкм. Разность фаз между двумя плечами зависит только от изменения проницаемости активного массива TGM и не зависит от паразитных факторов. (c) Смоделированные спектры пропускания активного и фиктивного TGM, рассчитанные для падающего света, параллельного массиву TGM, с использованием FEM.

В этом устройстве MZI разность фаз Δφ между двумя плечами для заданного напряжения управляющего затвора равна

, где λ — длина волны входящего света, L — длина плеча TGM, — эффективный коэффициент преломления. Индекс активного (или фиктивного) плеча TGM при напряжении затвора = 0, представляет собой изменение показателя преломления активного плеча TGM, которое индуцируется при заданном напряжении затвора за счет сдвига резонансной частоты TGM, и представляет собой изменение показатель преломления активного (или фиктивного) плеча TGM, который индуцируется при заданном напряжении затвора паразитными факторами, такими как накопленные носители заряда.Член в формуле. (1) можно не принимать во внимание, поскольку изменение показателя преломления, вызванное паразитными факторами, почти одинаково как для активного, так и для фиктивного плеча TGM. Таким образом, разность фаз Δφ определяется величиной и. Разница возникает из-за отличной от единицы проницаемости активного TGM, индуцированной взаимодействием между SRR и светом без напряжения затвора, и возникает из-за изменения проницаемости активного TGM, создаваемого заданным напряжением затвора. Таким образом, все характеристики передачи MZI связаны с изменением проницаемости активного TGM.

В реальных измерениях TE / TM-поляризованный свет испускался настраиваемым лазером и подавался в устройство через контроллер поляризации. Длина волны изменялась в диапазоне 1530–1570 нм. Магнитное поле света было установлено перпендикулярно плоскости TGM, чтобы свет мог магнитно взаимодействовать с массивом TGM. Выходной свет с другого конца устройства собирался линзой, так что можно было наблюдать картину ближнего поля. Убедившись, что выходной свет находится в одном режиме, мы измерили изменения его интенсивности для различных управляющих напряжений затвора.

На рисунке 5 (a) показаны характеристики передачи устройства с длиной плеча TGM 200 мкм в зависимости от управляющего напряжения затвора, измеренные для 1550 нм, TE-поляризованного света. Чтобы подтвердить зависимость характеристик передачи от размера TGM, мы подготовили три устройства с разными размерами SRR-кольца: 300 × 300 нм, 350 × 350 нм и 400 × 400 нм. Интенсивность передачи изменялась только в устройстве с SRR 300 × 300 нм и увеличивалась с увеличением напряжения на затворе.

Работа оптического модулятора с регулируемой проницаемостью.

(a) Интенсивность пропускания как функция напряжения затвора, измеренная для параллельного света с ТЕ-поляризацией 1550 нм. (b) Интенсивность пропускания как функция напряжения затвора, измеренная для параллельного света с TM-поляризацией 1550 нм. На графике нанесены результаты для трех TGM с различными размерами кольца SRR: 300 × 300 нм, 350 × 350 нм и 400 × 400 нм. (c) Изменение интенсивности передачи в зависимости от напряжения затвора, рассчитанного для разной длины массива TGM на плече MZI. Также нанесен результат измерения для длины 100, 200 и 300 мкм.(d) Реальные части относительной проницаемости плеча TGM 300 × 300 нм, рассчитанные как функция длины волны, с напряжениями на затворе 0 В и 20 В.

Для входящего света с длиной волны 1550 нм, 300 × 300 -нм TGM магнитно взаимодействует со светом и изменяет свою проницаемость с 1, тогда как фиктивный TGM не взаимодействует со светом и поддерживает свою проницаемость, равную 1. Следовательно, между двумя плечами возникает разность фаз. Если управляющее напряжение затвора увеличивается, TGM отклоняется от резонанса и, следовательно, его проницаемость приближается к 1, что приводит к уменьшению разности фаз.В результате интенсивность передачи будет увеличиваться с увеличением напряжения затвора. Это было подтверждено нашими измерениями, и коэффициент ослабления 6,9 дБ был получен для размаха напряжения затвора от 2,0 до 12,0 В. В этом устройстве собственные потери на распространение без учета потерь в системе измерения составляли около 20 дБ. Большая часть потерь вызвана потерей металлического материала в массиве TGM. Сильный магнитный отклик между падающим светом и массивом TGM увеличивает количество света, поглощаемого в TGM, тем самым увеличивая собственные потери устройства.Поэтому трудно уменьшить потери самого TGM. Однако в фотонных устройствах на основе InP можно было бы уменьшить общие потери, используя активные волноводы с усилением мощности.

На рис. 5 (а) модуляция в устройстве достигает насыщения при напряжении затвора 15–20 В. Это связано с тем, что емкость промежутка SRR с тройным затвором изменяется с несущими, индуцированными в ребре напряжением затвора, и достигает насыщения при плотности носителей около 10 ⁻¹⁹ см ⁻³ , что соответствует напряжению на затворе 15– 20 В (См. Также дополнительный материал, в котором показана рассчитанная зависимость показателя преломления и коэффициента поглощения ребра InGaAs от плотности носителей на оптических частотах).Следовательно, резонансная частота SRR и, следовательно, оптические свойства устройства изменяются с напряжением затвора и насыщаются при напряжении затвора 15–20 В.

На рисунке 5 (b) показаны характеристики передачи устройства с длиной плеча TGM 200 мкм в зависимости от управляющего напряжения затвора, измеренные для 1550 нм, TM-поляризованного света. Интенсивность передачи была почти постоянной в каждом устройстве. Это связано с тем, что TM-волна не имеет магнитного взаимодействия с кольцом, поскольку ее магнитное поле параллельно плоскости кольца и, следовательно, проницаемость не изменяется.Обычно фотонные полупроводниковые интегрированные устройства используются в TE-режиме, потому что свет от лазерных диодов TE-поляризован. Следовательно, нечувствительность к TM-волнам не будет проблемой для практического применения.

Также мы рассчитали передаточные характеристики устройства. В нашем моделировании мы сначала рассчитали комплексные эффективные показатели преломления активного и фиктивного плеч TGM при заданном напряжении затвора (см. Методы). Используя рассчитанные эффективные показатели преломления, мы выполнили волноводный анализ на основе метода быстрого мультиполя (FMM) для оценки характеристик передачи МЦ-модулятора с контролируемой проницаемостью.На рисунке 5 (b) показана смоделированная интенсивность передачи устройства с TGM, которые имеют SRR 300 × 300 нм. Длина плеча TGM была изменена как параметр. Экспериментальные данные, измеренные для длины плеча 100, 200 и 300 мкм, нанесены на смоделированную кривую, и смоделированные и экспериментальные данные согласуются. Устройство на 1000 мкм показало фазовый сдвиг на π или более в плече MZ при соответствующих напряжениях затвора. Минимальная длина устройства, необходимая для фазового сдвига π, составляла 500 мкм. Моделирование предсказывает, что для устройства на 500 мкм можно ожидать максимального коэффициента ослабления в 15 дБ.

Далее мы рассчитали комплексную относительную проницаемость рукава TGM. На рисунке 5 (c) показана действительная часть относительной проницаемости, рассчитанная как функция длины волны света для напряжения затвора В _g = 0 В и 20 В. Эффективная проницаемость активного плеча TGM демонстрирует резкий резонанс примерно при 1620 нм (соответствует резонансной частоте ЖК, 185 ТГц) и при В _g = 0 В изменяется от 0,97 до 1.03 около этой частоты (см. Красную кривую). За пределами резонансной области эффективная проницаемость приближается к 1, то же самое, что и у фиктивного плеча TGM. Если напряжение затвора повышается от 0 до 20 В, электроны накапливаются в ребрах, и это вызывает синий сдвиг резонансной частоты TGM (см. Синюю кривую). Следовательно, проницаемость активного плеча TGM на заданной оптической частоте может быть изменена с помощью напряжения затвора. Например, на длине волны 1550 нм (193 ТГц) проницаемость изменилась с 1.027–1,019 с напряжением затвора от 0 до 20 В. Таким образом, проницаемость полупроводниковых устройств может быть электрически изменена с помощью метаматериала SRR, управляемого затвором. Таким образом, мы можем создавать устройства с переменной проницаемостью, совместимые с фотонной интеграцией на основе InP.

В этой работе мы измерили передаточную характеристику устройства только на длине волны 1,55 мкм из-за ограничений, вызванных MMI, используемым в устройстве и измерительной системе. Однако моделирование на рис.5 (d) показывает, что большее изменение проницаемости может быть получено при разных длинах волн (например, 1520 нм и 1590 нм). Использование этих регионов с измененной структурой устройства позволит повысить производительность устройства. В качестве будущей цели мы рассчитали производительность модулятора с контролируемой проницаемостью при использовании максимального изменения проницаемости. На рисунке 6 приведены результаты, то есть необходимая длина плеча MZ для реализации π-фазового сдвига вместе с потерями при распространении в устройстве как функция расстояния между ядром InGaAsP и слоем TGM.В нашем модуляторе свет, проходящий по волноводу InGaAsP / InP, проходит через слой оболочки n -InP в слой TGM и взаимодействует, обеспечивая магнитный отклик (см. Рис. 6 (a)). Следовательно, толщина плакирующего слоя n -InP сильно влияет на характеристики модулятора.

Повышение эффективности модулятора с регулируемой проницаемостью.

(a) Схематическое изображение изменения проницаемости и изображение поперечного сечения устройства.(b) Требуемая длина плеча MZ для реализации π-фазового сдвига вместе с потерями при распространении в устройстве в зависимости от расстояния между ядром InGaAsP и слоем TGM.

Как показано на рис. 6 (b), можно реализовать чрезвычайно малую длину устройства (<50 мкм), поскольку изменение проницаемости в дополнение к диэлектрической проницаемости вызывает большую модуляцию показателя преломления полупроводников. Если мы установим расстояние взаимодействия равным 300 нм, то π-фазовый сдвиг может быть получен при длине плеча MZ 35 мкм с потерями на распространение меньше 0.15 дБ / мкм. Это превратит обычные оптические модуляторы (например, модулятор электропоглощения) в малогабаритные высокопроизводительные устройства для фотонной интеграции.

Проницаемость мембраны для воды, измеренная с помощью микрофлюидного улавливания гигантских пузырьков

Мы используем микрофлюидный метод для оценки коэффициента водопроницаемости ( p ) мембран. В качестве модельных липидных мембран мы используем гигантские однослойные везикулы (GUV), состоящие из пальмитоилолеилфосфатидилхолина и холестерина (10 мол.%).Мы разработали микрофлюидное устройство с несколькими камерами для улавливания GUV и обеспечения контролируемого осмотического обмена. Каждая камера имеет кольцевой клапан с регулируемым давлением, который при закрытии позволяет изолировать GUV в определенном объеме. Открытие клапанов приводит к быстрому обмену жидкостью между зоной захвата и сетью микроканалов снаружи, что позволяет точно контролировать концентрацию раствора вокруг GUV в отличие от других экспериментальных подходов к измерениям проницаемости, описанных в литературе.Изменения площади и объема отдельных пузырьков отслеживают с помощью конфокальной микроскопии. Концентрация растворенного вещества в непосредственной близости от GUV и, следовательно, градиент концентрации через мембрану оценивается независимо. Данные хорошо согласуются с простой моделью водопроницаемости, которая предполагает, что скорость изменения объема GUV на единицу площади линейно пропорциональна разнице концентраций с проницаемостью в качестве константы пропорциональности. Эксперименты по осмотической дефляции GUV с гипертоническими растворами показали, что проницаемость мембран POPC / холестерин 9/1 составляет p = 15.7 ± 5,5 мкм с ⁻¹ . Для сравнения мы также показываем результаты с использованием двух других подходов, которые либо не принимают во внимание локальные изменения концентрации, либо не определяют точную форму везикул. Мы указываем на ошибки, связанные с этими ограничениями. Наконец, мы также демонстрируем применимость микрофлюидного устройства для изучения динамики пузырьков в потоке.

Эта статья в открытом доступе

Комплексный подход к корректировке проницаемости на основе одновременной интерпретации данных ГИС и ГИС | Российская нефтегазовая технологическая конференция SPE

В настоящее время эффективную разработку месторождения невозможно представить без комплексной интерпретации промысловых данных различного масштаба — керна, каротажных диаграмм и тестеров пласта.Вышеупомянутые методы позволяют определять значения проницаемости, которые могут быть использованы при геологическом и имитационном моделировании. Однако следует подчеркнуть, что не существует единого подхода к корректировке проницаемости, который может привести к нечетким связям между абсолютной проницаемостью по газу (керн, каротаж) и эффективной проницаемостью (испытания скважины) в моделях коллектора. В результате могло возникнуть сомнение в правильности количественного описания параметров разработки месторождения.

В данной работе рассматривается создание рабочего процесса для настройки керна и, следовательно, каротажа абсолютной проницаемости по значениям месторождения, оцененным по результатам испытаний пласта.Можно ожидать, что скорректированные значения проницаемости будут более правильно описывать процесс фильтрации.

При создании технологического процесса было проанализировано месторождение с обломочными отложениями и специальным комплексом ГИС. Был разработан рабочий процесс регулировки проницаемости, который состоял из нескольких этапов. Прежде всего, были получены значения абсолютной проницаемости каротажа с учетом типов / фаций. Затем были рассчитаны кривые эффективной проницаемости непрерывного каротажа на основе уравнений, полученных при анализе PVT-свойств и данных SCAL.Наконец, было проведено сравнение проницаемости каротажа и проницаемости при испытании скважины.

Выявлено, что разработанная методика может быть применима для обломочного месторождения с рыхлыми отложениями. Математически подтвержден переход от средней проницаемости по результатам ГИС к эффективной проницаемости непрерывного каротажа. Кроме того, было показано, что оценка значений непрерывного фракционного расхода может выполняться для нескольких интервалов. Кроме того, вычисленную подвижность бревен можно использовать для прогнозирования слоев, для которых процесс фильтрации воды может быть быстрее.

Результаты, полученные в ходе приложения workflow, планируется использовать при дальнейшем имитационном моделировании. Это может обеспечить улучшение прогнозирования процесса разработки при имитационном моделировании и будущей разработке месторождения.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с вашим системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Анализ проницаемости кровеносных сосудов in vivo

Проницаемость сосудов является критическим маркером состояния кровеносных сосудов. Было показано, что повышенная проницаемость сосудов присутствует при нескольких системных заболеваниях, включая диабет, гипертензию и аутоиммунные заболевания ^6,7,8 .Повышенная проницаемость сосудов опосредуется напряжением сдвига, факторами роста, такими как фактор роста эндотелия сосудов и фактор роста фибробластов, медиаторами воспаления, такими как серотонин, гистамин и брадикинин ⁹ . Считается, что экстравазация воды и малых молекул происходит через небольшие отверстия между эндотелиальными клетками. Прочность межклеточных переходов строго регулируется взаимодействием между молекулами ¹⁰ .

В физиологических условиях эндотелий проницаем для воды и ионов и непроницаем для белков.Таким образом, в отсутствие воспалительных стимулов альбумин ограничен кровотоком и не перемещается во внеклеточную жидкость. Вводя Evans Blue, краситель, связывающий альбумин, мы можем контролировать степень утечки белка из кровотока в интерстициальную ткань.

В модифицированной версии этого анализа используются микросферы с флуоресцентной меткой. Используя микросферы разного размера или флуоресцентно меченый декстран с разной молекулярной массой (4-70 кДа), можно лучше оценить степень повреждения эндотелия.Однако этот вариант исключает простоту визуализации и требует фиксации тканей и получения изображений с помощью флуоресцентной микроскопии или измерения с использованием устройства для считывания флуоресцентных планшетов.

Исследования проницаемости сосудов in vitro успешно использовались в литературе ¹¹ . Существенным ингредиентом любого исследования проницаемости in vitro является интактный монослой сливающихся клеток. В этих анализах используется классическая двойная камера, в которой эндотелиальные клетки культивируются в монослое на проницаемой мембране, расположенной в верхней камере.Краситель наносится на верхнюю камеру, и проницаемость эндотелиальных клеток оценивается путем измерения количества красителя, попадающего в нижнюю камеру. Результаты в большинстве случаев совпадают с результатами анализа in vivo. Однако им не хватает соответствующего физиологического контекста, что усложняет их сложность результатов. Подход in vitro также устраняет роль перицитов, клеток, которые в живых тканях находятся в тесном контакте с эндотелиальными клетками и посылают сигналы для пролиферации эндотелиальных клеток, роста сосудов и ветвления.

В идеале результаты теста Майлза должны сопровождаться молекулярными исследованиями, которые дополнительно исследуют проверяемую гипотезу. Как уже упоминалось, во всем организме проницаемость сосудов зависит от многих переменных, и поэтому результаты анализа проницаемости in vivo необходимо интерпретировать в свете сложности анализируемой системы.

Требуется подписка. Пожалуйста, порекомендуйте JoVE своему библиотекарю.

Свет и тургор влияют на водопроницаемость (аквапорины) клеток паренхимы средней жилки листьев Zea mays | Журнал экспериментальной ботаники

Абстракция

В зависимости от света параметры водного отношения (тургор, полупериод водообмена, T _1/2 и гидравлическая проводимость, Lp ; T _1/2 ∝ 1/ Lp ) отдельных клеток паренхимы, сидящих в средней жилке листьев интактной кукурузы ( Zea mays L.) растения исследовали с помощью датчика клеточного давления. Клетки паренхимы использовались в качестве модельных клеток для мезофилла листа, потому что они близки к фотосинтетически активным клеткам на абаксиальной поверхности, и есть устьица как на адаксиальной, так и на абаксиальной сторонах. Тургор варьировал от 0,2 до 1,0 МПа в лабораторных условиях освещения (40 мкмоль · м ^-2 с ^-1 на тканевом уровне), и отдельные клетки можно было измерять в течение до 6 часов, избегая вариабельности между клетками. В соответствии с ранее полученными данными, T _1/2 с измерялось в диапазоне от 0 до 0.От 5 до 100 с, но воздействие света на T _1/2 с, тем не менее, может быть отработано для ячеек, имеющих T _1/2 с более 2 с. Увеличение интенсивности света в диапазоне от 100 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ до 650 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ уменьшилось T _1/2 в пять раз за 10 мин и увеличилось Lp (и активность аквапоринов) с тем же коэффициентом. В присутствии света тургор снижался из-за увеличения транспирации, и это имело тенденцию компенсировать или даже чрезмерно компенсировать влияние света на T _1/2 .Например, при длительном освещении тургор клеток упал с 0,2 до 1,0 МПа до -0,03 до 0,4 МПа, и это падение вызвало увеличение T _1/2 и уменьшение Lp клетки, т.е. влияние тургора на клетку Lp помимо света. Чтобы разделить эти два эффекта, тургор клеток (водный потенциал) поддерживался постоянным при изменении интенсивности света путем приложения давления газа к корням с помощью камеры давления. При интенсивности света 160 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ произошло уменьшение T _1/2 в 2 раза.5 через 10–30 мин при постоянном тургоре в пределах ± 0,05 МПа. В целом, влияние света на T _1/2 ( Lp ) преобладало над воздействием тургора только тогда, когда снижение тургора составляло менее примерно 0,2 МПа. В противном случае тургор стал доминирующим фактором. Результаты показывают, что гидравлическая проводимость увеличивается с увеличением интенсивности света, что способствует улучшению состояния воды в побегах. Однако, когда транспирация, индуцированная светом, имеет тенденцию вызывать низкую отечность ткани, клетки Lp были уменьшены.Сделан вывод о том, что при измерении общей гидравлической проводимости листьев следует учитывать как влияние света, так и тургор. Хотя механизм (ы) того, как свет и тургор влияют на клетку Lp , все еще отсутствуют, он, скорее всего, включает в себя гейтирование аквапоринов по обоим параметрам.

Введение

Существует множество свидетельств того, что общая гидравлическая проводимость листьев ( K _лист ) существенно зависит от света, но пока механизмы изменений в K _листе изучены плохо (Nardini et al. ., 2005; Мешок и Холбрук, 2006; Cochard et al. , 2007). Например, Lo Gullo et al. (2005) показал, что проводимость листьев положительно коррелировала с фотосинтетически активной радиацией (ФАР) у вечнозеленых и лиственных деревьев. В лабораторных экспериментах Sack et al. (2002) продемонстрировал, что K _{листьев} из Quercus листьев, измеренные расходомером высокого давления (HPFM), были больше при освещении (> 1200 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ ), чем при измерении при состояние окружающего освещения.Используя метод HPFM, Tyree et al. (2005) наблюдал аналогичные явления у шести видов деревьев. Однако Бродрибб и Холбрук (2004) показали полуденные впадины K _{листьев} и устьичную проводимость тропического дерева, когда состояние воды было неблагоприятным.

Хотя механизм (ы) реакции листа K _{на облучение еще не ясен, Tyree et al. (2005) использовал HPFM, чтобы выяснить, почему K лист увеличился во время кратковременного 30-минутного освещения.Они исключили вклад устьичной проводимости и заподозрили, что увеличение K листа было связано либо с изменениями сосудистого компонента под действием гидрогеля (Zwieniecki et al. , 2001), либо с изменениями несосудистого компоненты, вероятно, связанные с водными каналами (аквапорины, AQP). Появляется все больше свидетельств того, что AQP играют ключевую роль в отношениях растений с водой (Steudle and Henzler, 1995; Maurel, 1997; Kjellbom et al. , 1999; Tyerman et al., 1999; Steudle, 2000, 2001; Морел и Криспелс, 2001; Javot and Maurel, 2002). Проницаемость клетки для воды может увеличиваться либо за счет de novo экспрессии AQP, либо за счет открытия закрытых каналов («затвор»). В корнях Lotus japonicus и в листьях Samanea saman суточные изменения гидравлической проводимости приписывались изменениям уровней мРНК, кодирующей AQP (Henzler et al. , 1999; Moshelion et al. ). , 2002).В листьях грецкого ореха увеличение K листа на свету соответствовало содержанию транскриптов двух аквапоринов, и этот эффект наступал в течение 30 минут (Cochard et al. , 2007). Помимо регуляции на уровне транскриптов, 30-минутная обработка светом, вызывающая увеличение K листа , вероятно, будет включать действие AQP, которые имеют тенденцию открываться в ответ на световую обработку (Nardini et al. , 2005; Тайри и др. , 2005).Однако до сих пор не проводилось прямых измерений изменений гидравлической проводимости ячейки, вызванных освещением (то есть срабатыванием светового затвора AQP).}

При общих измерениях возникают трудности с ограничением компонентов, на которые влияет свет. Общая гидравлическая проводимость створки в кг Н ₂ Ом ⁻² с ⁻¹ МПа ⁻¹ , или его обратная величина, удельное сопротивление, имеет разные составляющие. Компоненты расположены либо последовательно, либо параллельно, например, сопротивления черешков, листовой пластинки (состоящей из живых клеток и сосудистых компонентов) или устьиц.В установившемся режиме сопротивления образуют сложную сеть, и регулирование индивидуальных проводимостей (сопротивлений) различных компонентов приведет к общим изменениям гидравлики створки. В недавних исследованиях было высказано предположение, что до 90% из K _листа можно отнести к живой ткани (Cochard et al. , 2004; Nardini et al. , 2005; Sack et al. , 2005). Поскольку живые клетки могут эффективно регулировать свою проницаемость для воды посредством экспрессии или стробирования AQP, живые клетки могут вносить существенный вклад в K _лист .Однако проблема с цифрами из общих измерений заключается в надежной количественной оценке компонентов, которые в конечном итоге определяют K _лист . Эта концептуальная работа все еще отсутствует. Еще один момент, который следует учитывать при общих измерениях, — это то, похожи ли экспериментальные условия на реальные. Высказывались серьезные сомнения относительно того, связаны ли проводимости листьев, измеренные с помощью метода HPFM, с реальной ситуацией (Nardini et al., 2005). При использовании HPFM ткань листа обычно инфильтрируется водой под давлением через ксилему, заполняя межклеточные пространства, так что жидкая вода в конечном итоге выпадает из устьиц или гидатодов. В просвечивающем листе дело обстоит иначе. Однако люди, использующие HPFM, имели тенденцию убеждать себя и других в том, что то, что они измеряли, было значимым, а именно путем сравнения своих данных с данными, полученными другими методами (Sack et al. , 2002; Nardini et al. , 2005). .Brodribb и Holbrook (2006) показали, что K _лист будет отличаться при измерении либо в стационарном состоянии (метод испарения), либо после кратковременного поглощения воды (емкостная перезарядка, релаксация водного потенциала при регидратации через черешок). и обсудили, что первый метод был бы более реалистичной мерой, чем второй. Эти авторы обсуждали несоответствие с точки зрения снижения тургорного давления, которое было существенным и немедленным, когда метод испарения использовался для измерения K _листа .Это может свидетельствовать о влиянии тургора на K _лист .

В настоящем исследовании было предназначено заполнить пробел между общими измерениями гидравлики листа и молекулярным уровнем, то есть прямым действием AQP. Для этого использовался датчик давления в ячейке (CPP). В настоящее время CPP является наиболее чувствительным методом, используемым для измерения водопроницаемости интактных клеток (полупериод водообмена, T _1/2 и гидравлическая проводимость, Lp ; T _1/2. ∝ 1/ Lp ).Следует подчеркнуть, что в этом первом исследовании не предполагалось идентифицировать механизмы стробирования AQP в листьях в ответ на свет. Скорее, с использованием CPP, было проведено исследование того, как проницаемость отдельных клеток в листьях интактных растений кукурузы изменяется в ответ на свет, и будут ли эти изменения коррелировать с тем, что было обнаружено другими на уровне всего листа. Ткань листа, использованная для измерений, представляла собой среднюю жилку растений кукурузы в возрасте 4–8 недель, где клетки, близкие к сосудистым пучкам, можно было исследовать в ответ на увеличение интенсивности света (интенсивность окружающего света = 40 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ , световая обработка = 100, 160 или 650 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ ).В прошлом было показано, что клетки паренхимы в ткани средней жилки являются отличным объектом для измерения тургора и гидравлики отдельных клеток в течение периодов времени до 6 часов. Это предварительное условие для исследований, поскольку известно, что клетки ткани высших растений могут существенно различать свой T _1/2 ( Lp ) или тургор (Tomos et al. , 1981; Westgate and Steudle , 1985; Nonami et al. , 1987; Zhu and Steudle, 1991). Измерение воздействия на отдельные клетки устраняет различия между клетками.Из-за большого размера клетки легко прокалывались. Поскольку они были расположены вблизи фотосинтетически активных клеток, устьиц и сосудов ксилемы, клетки паренхимы из средней жилки можно рассматривать как хорошую модель для клеток мезофилла из листовой пластинки, которые гораздо труднее измерить в долгосрочной перспективе (Frensch и Шульце, 1988).

В ходе исследований выяснилось, что, помимо света, переменной также был тургор клеток, который может влиять на клетку Lp . Следовательно, эффекты двух переменных должны быть разделены с помощью камеры корневого давления, чтобы поддерживать постоянное тургорное давление отдельных клеток при изменении интенсивности света.Это не могло быть сделано в общих исследованиях, упомянутых выше. Результаты ясно показали, что на T _1/2 ( Lp ) наблюдались отдельные эффекты света и тургора.

Материалы и методы

Растительный материал

Растения кукурузы ( Zea mays L. cv. Monitor) выращивали в теплице Университета Байройта из зерновок в почве в пластиковых горшках (1,7 л; диаметр: 140 мм; глубина: 110 мм). Растения поливали ежедневно.Опыты проводились на 4–8-недельных растениях высотой 0,8–1,2 м с примерно восемью листьями. Растение кукурузы было доставлено из теплицы, и была использована экспериментальная установка, как в Wei et al. (1999). Использовали четвертый или пятый лист растений, считая от самых старых. Листовые пластинки были длиной 0,6–1 м. Все измерения проводились на клетках в области средней жилки, расположенной в 100–200 мм за кончиком листьев. На этом этапе мидриб выглядел как полуцилиндр диаметром около 1 мм (рис.1А, Б). На своей выпуклой поверхности он содержал несколько параллельных сосудистых пучков, один довольно крупный, расположенный в центре периферии с примерно пятью пучками с обеих сторон. Внутри центрированного большого пучка было два сосуда метаксилемы, каждый около 50 мкм в диаметре (v). Между ними находилась группа небольших трахеарных элементов и элементы протоксилемы или лакуны протоксилемы по направлению к адаксиальной поверхности. В меньших пучках диаметр сосудов составлял около 20 мкм. Между пучками с абаксиальной стороны находились устьица (около 100 / мм ² ; рис.1С). Также были устьица на адаксиальной стороне средних жилок (около 45 / мм ² ; рис. 1D). Основная часть ткани средней жилки состояла примерно из пяти слоев клеток паренхимы, не содержащих хлорофилла. Эти клетки использовались в экспериментах. Положение используемых клеток паренхимы оценивали по глубине кончика микрокапилляра внутри ткани средней жилки. Глубина составляла 100–250 мкм от абаксиальной поверхности средней жилки (и устьиц). При подсчете от абаксиальной поверхности обычно использовали клетки второго слоя паренхимы.Они находились на расстоянии около 100 мкм от сосудов и 50 мкм от фотосинтетически активной ткани.

Рис. 1.

Поперечные сечения и рисунки поверхности средней жилки кукурузного листа. Красные треугольники обозначают центр средней жилки. (A) Срез был сделан в 150 мм от кончика листа номер четыре 8-недельного растения (считая от самого старого). Срединная жилка имела вид полуцилиндра диаметром 1 мм. Основная часть ткани средней жилки состояла примерно из пяти слоев клеток ахлорофильной паренхимы, а на периферии была одна большая вена в центре и несколько более мелких жилок.Бар = 100 мкм. (B) Часть (A), показывающая, что большая вена имеет два больших сосуда метаксилемы (v). Параметры водного отношения определяли с использованием CPP для клеток, которые обычно находились во втором слое клеток паренхимы, считая от абаксиальной поверхности. Из рисунка видно, что имелись некоторые различия в диаметрах ячеек (см. Таблицу 1). (C) Отпечаток (полученный лаком для ногтей) абаксиальной стороны листа. Абаксиальная сторона имела около 100 мм устьиц ^–2 поверхности листа.Бар = 100 мкм. (D) Реплика поверхности адаксиальной стороны показала примерно 45 устьиц на ² мм поверхности листа. Бар = 100 мкм. Стрелки указывают на замыкающие клетки.

Рис. 1.

Поперечные сечения и рисунки поверхности средней жилки кукурузного листа. Красные треугольники обозначают центр средней жилки. (A) Срез был сделан в 150 мм от кончика листа номер четыре 8-недельного растения (считая от самого старого). Срединная жилка имела вид полуцилиндра диаметром 1 мм. Основная часть ткани средней жилки состояла примерно из пяти слоев клеток ахлорофильной паренхимы, а на периферии была одна большая вена в центре и несколько более мелких жилок.Бар = 100 мкм. (B) Часть (A), показывающая, что большая вена имеет два больших сосуда метаксилемы (v). Параметры водного отношения определяли с использованием CPP для клеток, которые обычно находились во втором слое клеток паренхимы, считая от абаксиальной поверхности. Из рисунка видно, что имелись некоторые различия в диаметрах ячеек (см. Таблицу 1). (C) Отпечаток (полученный лаком для ногтей) абаксиальной стороны листа. Абаксиальная сторона имела около 100 мм устьиц ^–2 поверхности листа.Бар = 100 мкм. (D) Реплика поверхности адаксиальной стороны показала примерно 45 устьиц на ² мм поверхности листа. Бар = 100 мкм. Стрелки указывают на замыкающие клетки.

Экспериментальная установка с использованием CPP

. среднее значение ϵ было рассчитано как 3.8 ± 3,4 МПа (диапазон: 0,4–13 МПа), включая объем ячейки. Объемы ячеек рассчитывались исходя из их цилиндрической формы. Средний объем ячейки составил 2,4 × 10 ⁻¹³ м ³ (240 мкл) со стандартным отклонением ± 1,2 × 10 ⁻¹³ м ³ (± 120 мкл или ± 50%; таблица 1, погрешность распространение считается). Анатомические данные и модули упругости были аналогичны данным, приведенным Westgate и Steudle (1985), которые использовали ту же ткань более молодых растений в возрасте 13–17 дней. Обычно ε было намного больше, чем π ⁱ . В большинстве случаев T _1/2 использовалось как прямая мера изменения в ячейке Lp , так как ε существенно не изменилась во время измерений с отдельными ячейками.

, тургорное давление (P), объемный модуль упругости (), полупериод ( T _1/2 ) и гидравлическая проводимость ( Lp ) клеток паренхимы листа второго слоя, считая от абаксиальная поверхность на расстоянии 100–200 мм от кончика листа (среднее ± стандартное отклонение)

Размеры, тургорное давление (P), объемный модуль упругости (ϵ), полупериод ( T _1/2 ) и гидравлическая проводимость ( Lp ) клеток паренхимы листа второго слоя, считая от абаксиальной поверхности на расстоянии 100–200 мм от кончика листа (средние значения ± стандартное отклонение)

Эксперимент с освещением

В лаборатории, где проводились эксперименты, интенсивность света составляла 5 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ (температура = 20–30 ° C; RH = 30–60%). Для запуска CPP использовалась галогенная лампа Osram (150 Вт, Xenophot HLX, Мюнхен, Германия) через стекловолоконную оптику (Schott, Майнц, Германия) для освещения микрокапилляра и ткани рядом с проколотыми клетками при интенсивности света около 40 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ .После прокола клетки непрерывно измеряли полупериоды от гидростатической релаксации, T _1/2 с. Когда в течение 10 мин в ячейках было стабильное значение T _1/2 с, включали свет. Затем с помощью ртутной лампы мощностью 400 Вт (Siemens AG, Франкфурт, Германия) интенсивность света на уровне листьев изменялась до различных уровней путем изменения высоты лампы. После световых процедур измерения релаксации ( Lp ) продолжались до 1.5 ч. Во время освещения лампа была установлена ​​над растением, и растение испытывало градиент интенсивности света. Верхняя часть растения испытала несколько более высокую интенсивность света, и интенсивность света измерялась в точке измерения CPP. Интенсивность света на уровне данного листа варьировалась на стадиях 100, 160 или 650 мкмоль · м ⁻² с ⁻¹ PAR.

Эксперименты по освещению при постоянном тургоре и в барокамере

Чтобы отделить эффекты тургора от эффектов света, барокамера, окружающая корень, использовалась для поддержания тургора постоянным при освещении 160 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ .Горшок с корнем герметично закрывали в металлической барокамере с использованием резиновых прокладок (Wei et al. , 1999). Корни подвергали сжатому воздуху из газового баллона. Измерения релаксации ( Lp, ) продолжались во время световых фаз.

Измерение скорости транспирации порометром

После измерений CPP, стационарный порометр (LI-1600 от Li-Cor, Lincoln, Nebraska, USA) использовался для измерения транспирации ( E в ммоль м ⁻² с ⁻¹ ), относительной влажности (Относительная влажность в%) и температура воздуха вблизи участка, где проводились измерения ЦПД.Через 1 час после измерения CPP, порометрические измерения были проведены с использованием того же времени воздействия света, что и во время измерения CPP.

Результаты

Тургорное давление клеток паренхимы и его реакция на световые режимы

После введения кончика микрокапилляра ЦПД в клетку паренхимы средней жилки тургорное давление либо стабилизировалось в течение нескольких минут, либо наблюдалось кратковременное превышение тургора из-за того, что мениск приходилось подталкивать близко к поверхности листа, чтобы восстановить объем клеток, близкий к исходному.В любом случае тургорное давление стабилизировалось в течение 30 мин и стабильно измерялось максимум в течение 6 ч. Когда клетки были негерметичными, тургор постоянно падал, и эти клетки не принимались во внимание. В таблице 1 приведены значения тургорного давления для 74 негерметичных клеток, которые находились в диапазоне от 0,2 МПа до 1,0 МПа в лабораторных условиях освещения (40 мкмоль м ^-2 с ^-1 на уровне ткани). Из таблицы 1 видно, что наблюдался некоторый разброс в абсолютных значениях тургора, полупериода, модуля упругости и ячейки Lp , что было известно из более ранних исследований тканей растений, таких как кора корня и эпидермис листа. и мезофилл (Tomos et al., 1981; Вестгейт и Стейдл, 1985; Nonami et al. , 1987; Чжу и Стейдл, 1991).

После увеличения освещенности тургорное давление снизилось в ответ на усиление транспирации. Репрезентативный ответ тургора клетки мидриб на кратковременное (18 мин) освещение показано на фиг. 2A (интенсивность света 100 мкмоль м ^-2 с ^-1 ). Согласно рисунку, задержка реакции тургора составила около 5 мин, что связано со временем, необходимым для открытия устьиц.Когда свет был выключен, и тургор, и транспирация требовали временной задержки около 10 мин, чтобы принять свои предыдущие значения. Для ячейки, представленной на рис. 2A, полупериод восстановления тургора ( t _1/2 = 400 с при экспоненциальной аппроксимации) был аналогичен периоду уменьшения транспирации ( t _{1 / 2} = 390 с), что свидетельствует о том, что скорость транспирационных потерь воды ограничивает изменения тургора. Первоначальное тургорное давление было восстановлено примерно через 20 мин.В течение периода освещения окружающая ткань измеряемой ткани испытывала повышение температуры на 1,2 ° C и уменьшение относительной влажности на 5%, соответственно. Повышение температуры на поверхности листа составило 1,4 ° C.

Рис. 2.

Динамика тургора двух клеток (A, B), измеренная CPP в ответ на освещение (вертикальные пунктирные линии). Скорость транспирации того же листа в (А) измеряли на расстоянии 40 см от кончика листа и 25 см от пунктированной клетки.Нулевое время было временем, когда клетки были проколоты. Пики на тургорной кривой — это гидростатическая релаксация. (A) При освещении 100 мкмоль м ^-2 с ^-1 на уровне проколотых клеток тургорное давление снижалось по мере увеличения транспирации. Когда свет снова был выключен, и тургор, и транспирация потребовали временной задержки около 10 минут, чтобы принять свои предыдущие значения, вероятно, из-за времени, необходимого для закрытия устьиц. Половина восстановления тургора ( t _1/2 = 400 с, при экспоненциальной аппроксимации) была аналогична периоду уменьшения транспирации ( t _1/2 = 390 с).(B) При интенсивности света 160 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ тургор снизился до устойчивого минимального значения, близкого к нулю (атмосферное давление).

Рис. 2.

Динамика тургора двух клеток (A, B), измеренная CPP в ответ на освещение (вертикальные пунктирные линии). Скорость транспирации того же листа в (А) измеряли на расстоянии 40 см от кончика листа и 25 см от пунктированной клетки. Нулевое время было временем, когда клетки были проколоты.Пики на тургорной кривой — это гидростатическая релаксация. (A) При освещении 100 мкмоль м ^-2 с ^-1 на уровне проколотых клеток тургорное давление снижалось по мере увеличения транспирации. Когда свет снова был выключен, и тургор, и транспирация потребовали временной задержки около 10 минут, чтобы принять свои предыдущие значения, вероятно, из-за времени, необходимого для закрытия устьиц. Половина восстановления тургора ( t _1/2 = 400 с, при экспоненциальной аппроксимации) была аналогична периоду уменьшения транспирации ( t _1/2 = 390 с).(B) При интенсивности света 160 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ тургор снизился до устойчивого минимального значения, близкого к нулю (атмосферное давление).

На рис. 2В показан типичный отклик клетки средней жилки, которая снизила тургор до устойчивого значения, после освещения продолжительностью 30 мин при интенсивности света 160 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ . Тургор снизился до устойчивого значения, близкого к нулю ( т _1/2 = 240 с). В выключенном состоянии происходило несколько более медленное восстановление тургора ( т _1/2 = 440 с).Обычно время восстановления было больше, чем время потери тургора при освещении. Как видно на рис. 2В, минимальные установившиеся значения тургора часто были близки к нулю (атмосферное давление). Такой же тип восстановления был обнаружен даже при падении тургора до давления –0,03 МПа (ниже атмосферного).

Половина водообмена (

После введения кончика микрокапилляра ЦПД в клетку паренхимы средней жилки измеряли полупериоды гидростатической релаксации тургорного давления ( T _1/2 ) в течение 6 ч (в среднем 3 ч. ).Измеренный T _1/2 в 74 ячейках показал большой диапазон значений от 0,5 с до 95 с (таблица 1; соответствующие Lp значения для наименьшего и наибольшего полупериодов времени составили 5,1 × 10 ⁻⁶ и 2,6 × 10 ⁻⁸ мс ⁻¹ МПа ⁻¹ соответственно). В отличие от более ранних исследований кортикальных клеток корней молодых растений кукурузы (Wan et al. , 2004), не было временного увеличения T _1/2 после прокалывания, что могло указывать на временное закрытие AQP. .Скорее, T _1/2 с клеток листа несколько изменялись со временем даже в отсутствие какой-либо обработки, но были стабильными в течение периодов 10–20 минут, что подтверждено долгосрочными измерениями с отдельными клетками (см. Обсуждение). Следовательно, при измерении эффектов света и тургора мы сосредоточились на этих временных периодах. Таким образом удалось избавиться от «шума» в T _1/2 . Чтобы избежать вариаций между ячейками, для статистики изменения в T _1/2 были даны как относительные, а не абсолютные значения.Полупериод до освещения был принят в качестве контрольного полупериода, T _1/2 ^c .

Воздействие света на

Воздействие света на T

Во время освещения эффект света мог быть замаскирован эффектом тургора, что могло привести к увеличению T _1/2 по мере уменьшения тургора.Таким образом, тургор поддерживался постоянным, используя камеру корневого давления, исключительно для учета световых эффектов. Как видно на фиг. 3А, наблюдался эффект света, который не зависел от тургора. При постоянном тургоре T _1/2 уменьшилось в 3 раза за 30 мин при интенсивности света 160 мкмоль · м ⁻² с ⁻¹ (увеличение ячейки Lp ; уравнение 1) . Результаты этого типа эксперимента приведены на рис. 4 (см. Ниже).

Рис.3.

Освещение уменьшило полупериод водообмена T _1/2 при постоянном тургоре, но увеличилось T _1/2 при снижении тургора. (A) В то время как тургор поддерживался постоянным на уровне 0,55 МПа с использованием камеры корневого давления, интенсивность света 160 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ вызвала снижение T _1/2 в раз. примерно 3 за 30 мин и Lp, увеличились во столько же раз. (B) При освещении 160 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ , T _1/2 сначала уменьшилось, но снова увеличилось, когда тургорное давление снизилось до низкого значения 0.2 МПа. При освещении наблюдалось повышение тургора, что оказало мелиоративное действие на T _1/2 . Когда тургорное давление было увеличено до исходного с помощью камеры корневого давления во время легкой фазы, такой же эффект наблюдался на T _1/2 . Нулевое время было временем, когда клетки были проколоты. Пики, появляющиеся на кривой тургора, представляют собой гидростатические релаксации.

Рис. 3.

Освещение уменьшило полупериод водообмена T _1/2 при постоянном тургоре, но увеличилось T _1/2 при снижении тургора.(A) В то время как тургор поддерживался постоянным на уровне 0,55 МПа с использованием камеры корневого давления, интенсивность света 160 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ вызвала снижение T _1/2 в раз. примерно 3 за 30 мин и Lp, увеличились во столько же раз. (B) При освещении 160 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ , T _1/2 сначала уменьшилось, но снова увеличилось, когда тургорное давление снизилось до низкого значения 0,2 МПа. При освещении наблюдалось повышение тургора, что оказало мелиоративное действие на T _1/2 .Когда тургорное давление было увеличено до исходного с помощью камеры корневого давления во время легкой фазы, такой же эффект наблюдался на T _1/2 . Нулевое время было временем, когда клетки были проколоты. Пики, появляющиеся на кривой тургора, представляют собой гидростатические релаксации.

Рис. 4.

Сводка эффектов освещения как при постоянном, так и при изменении тургора. Чтобы избавиться от разброса T _1/2 между ячейками, приведены относительные изменения T _1/2 , принимая T _1/2 перед освещением в качестве эталона ( контроль T _1/2 ^c ).Для статистики были рассмотрены ячейки T _1/2 ^c > 2 с. (A) При постоянном тургоре свет 160 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ вызвал снижение T _1/2 в 2,5 раза в течение 10–30 мин. (B) С другой стороны, при наличии снижения тургора T _1/2 сначала уменьшилось в 2 раза, однако при низком тургоре оно увеличилось до значения больше, чем уменьшенное T _1/2 и T _1/2 ^c с коэффициентом 8 и 4 соответственно, несмотря на освещенность.Периоды полувыведения восстанавливались, когда тургор возвращался к исходному во время легкой фазы. Средние значения ± стандартное отклонение приведены для n = 4–11 ячеек. Различные буквы на столбцах указывают на значительную разницу на уровне P = 0,05.

Рис. 4.

Сводка эффектов освещения как при постоянном, так и при изменении тургора. Чтобы избавиться от разброса T _1/2 между ячейками, приведены относительные изменения T _1/2 , принимая T _1/2 перед освещением в качестве эталона ( контроль T _1/2 ^c ).Для статистики были рассмотрены ячейки T _1/2 ^c > 2 с. (A) При постоянном тургоре свет 160 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ вызвал снижение T _1/2 в 2,5 раза в течение 10–30 мин. (B) С другой стороны, при наличии снижения тургора T _1/2 сначала уменьшилось в 2 раза, однако при низком тургоре оно увеличилось до значения больше, чем уменьшенное T _1/2 и T _1/2 ^c с коэффициентом 8 и 4 соответственно, несмотря на освещенность.Периоды полувыведения восстанавливались, когда тургор возвращался к исходному во время легкой фазы. Средние значения ± стандартное отклонение приведены для n = 4–11 ячеек. Различные буквы на столбцах указывают на значительную разницу на уровне P = 0,05.

Влияние изменения тургора на T

Согласно рис. 2, свет 100 и 160 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ вызвал существенное снижение тургора более чем на 0,2 МПа. Последний мог повлиять на T _1/2 , помимо света.Как видно на фиг. 3B, во время более длительных периодов освещения при интенсивности света 160 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ , T _1/2 сначала уменьшалось. Однако при низком тургоре T _1/2 увеличивалось, несмотря на освещение, то есть влияние тургора преобладало над действием света. Тургор снова увеличивался без давления на корень, и иногда это происходило, возможно, за счет улучшения подачи воды из корня в ответ на запрос со стороны побега (регулируемая гидравлика корня; Kramer and Boyer, 1995; Steudle and Peterson, 1998).Кратковременные изменения тургора в ответ на свет, демонстрирующие недобор, также наблюдали Френш и Шульце (1988) в их исследовании влияния света на тургор отдельных клеток мезофилла и эпидермиса листьев Tradescantia virginiana . В настоящем исследовании, когда тургорное давление увеличилось до исходного значения с использованием камеры корневого давления, модель T _1/2 восстановилась до исходного значения во время легкой фазы (рис. 3B). Изменения T _1/2 должны были отражать изменения в ячейке Lp , а не изменения модуля упругости ячеек (ϵ; уравнение 1), потому что ϵ оставалось постоянным во время этих экспериментов с отдельными ячейками (данные не показаны) .

В целом эксперименты, показанные на рис. 3, показали, что T _1/2 уменьшалось под действием света, но также имел место эффект тургора (см. Обсуждение). Результаты экспериментов, подобных показанным на рис. 3, суммированы на рис. 4. Здесь реакции T _1/2 на свет 160 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ сравнивались либо при постоянный тургор или при изменении тургора. Когда тургор поддерживался в пределах ± 0,05 МПа, свет значительно снижал T _1/2 в 2 раза.2 за 10 мин и 2,6 за 30 мин (статистика с ячейками T _1/2 ^c > 2 с; n = 6 ячеек). Однако при наличии снижения тургора более 0,2 МПа сначала снижается T _1/2 , но когда тургор изменился, обычно при достижении минимального тургора, были повторные повышения T _1/2 в 4 раза по сравнению с T _1/2 ^c ( n = 6–11 ячеек).В зависимости от отдельных ячеек повторное увеличение T _1/2 произошло через 10–25 минут после включения света. Когда тургор снова увеличился под воздействием излучения, T _1/2 восстановился до значения всего 75% от T _1/2 ^c ( n = 4 клетки).

Влияние силы света на T

Когда клетки с периодом полураспада от 0,5 до 2 с подвергались воздействию света, в T _1/2 в течение 10 мин почти не наблюдалось никакого ответа.Это может быть связано с тем, что в этих клетках уже был максимум клеток Lp (максимальная активность AQP; см. Обсуждение). Для ячеек с T _1/2 ^c с более 2 с, освещение листьев привело к уменьшению T _1/2 в 2–5 раз в течение 10 мин в зависимости от по интенсивности света. Результаты представлены на рис. 5. При интенсивности света 100, 160 и 650 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ , T _1/2 с уменьшилось за 10 мин до 54, 40 и 17% от T _1/2 ^c соответственно (статистика с ячейками T _1/2 ^c > 2 с; t test; P <0 .05; n = 14, 15, 5 клеток соответственно), то есть более высокая интенсивность света индуцировала значительное увеличение Lp в клетке. В результаты, представленные на рис. 5, были включены те клетки, у которых снижение тургора составило до 0,2 МПа за 10 мин освещения. Следовательно, вывод о значительных эффектах света и о том, что они увеличиваются с увеличением интенсивности, является безопасным, потому что уменьшение T _1/2 было бы даже больше при сохранении строго постоянного тургора (см. Выше).С другой стороны, для ячеек с T _1/2 ^c меньше 2 с, снижение T _1/2 в течение 10 минут освещения было незначительным и статистически отличалось от других соотношений. при любой высокой интенсивности ( t проба; P <0,05; n = 5 клеток).

Рис. 5.

Сводные данные о влиянии различной интенсивности света на T _1/2 в течение 10 минут после освещения.Чтобы избавиться от разброса T _1/2 между ячейками, приведены относительные изменения T _1/2 в течение 10 минут освещения, принимая T _1/2 перед освещение в качестве эталона (контроль T _1/2 ^c ). Для ячеек с T _1/2 ^c > 2 с, T _1/2 значения уменьшались с увеличением интенсивности света (светлые полосы).Ячейки, которые имели T _1/2 ^c <2 с, не показали дальнейшего снижения T _1/2 при свете любой интенсивности (заштрихованная полоса). За 10 мин освещения снижение тургора составило менее 0,2 МПа. Средние значения ± стандартное отклонение приведены для n = 5–15 клеток. Различные буквы на столбцах указывают на значительную разницу на уровне P = 0,05.

Рис. 5.

Сводные данные о влиянии различной интенсивности света на T _1/2 в течение 10 минут после освещения.Чтобы избавиться от разброса T _1/2 между ячейками, приведены относительные изменения T _1/2 в течение 10 минут освещения, принимая T _1/2 перед освещение в качестве эталона (контроль T _1/2 ^c ). Для ячеек с T _1/2 ^c > 2 с, T _1/2 значения уменьшались с увеличением интенсивности света (светлые полосы).Ячейки, которые имели T _1/2 ^c <2 с, не показали дальнейшего снижения T _1/2 при свете любой интенсивности (заштрихованная полоса). За 10 мин освещения снижение тургора составило менее 0,2 МПа. Средние значения ± стандартное отклонение приведены для n = 5–15 клеток. Различные буквы на столбцах указывают на значительную разницу на уровне P = 0,05.

Обсуждение

Впервые данные этого исследования показывают, как гидравлика интактных листьев кукурузы изменяется на клеточном уровне в ответ на изменения интенсивности света (от интенсивности окружающего света 40 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ до повышенная интенсивность света) и как это влияет на транспирацию (опухлость).Используемые клетки паренхимы средней жилы находились рядом с крупными сосудами на ее периферии, а средняя жилка имела устьица как с адаксиальной, так и с абаксиальной сторон. Клетки располагались в непосредственной близости от фотосинтетически активных клеток. Следовательно, они могут быть взяты в качестве модельной системы для клеток мезофилла листовой пластинки, которую пока нельзя использовать, потому что они не позволяют проводить долгосрочные измерения, как это делают клетки средней жилки. В более раннем исследовании Френш и Шульце (1988) использовали зонд давления Байройта для измерения тургора и водного потенциала отдельных клеток мезофилла и эпидермиса листа Tradescantia virginiana. Они исследовали, как это изменится при освещении и транспирации. Однако эти авторы не смогли измерить изменения полупериодов водообмена клеток, T _1/2 и Lp клетки из-за проблем с удержанием этих клеток на кончике зонда в течение достаточно длительного времени. длительный период времени. Однако при освещении они обнаружили отклики по тургору, подобные тем, которые представлены в этой статье.

Можно утверждать, что был некоторый разброс в ответах клеток при измерении T _1/2 ( Lp ), и потребовалось около 1 часа, чтобы получить достаточно постоянные показания для начала лечения.Причина шума неизвестна. Это происходило не из-за неплотности клеток, так как клетки можно было измерять до 6 ч при постоянном тургоре. Когда тургор поддерживался постоянным на высоких значениях с помощью барокамеры, стабильность улучшалась, и это предполагало, что локальные изменения в состоянии воды вокруг данной клетки могут играть роль (данные не показаны). Можно предположить, что при изменении содержания воды в апопласте рядом с клеткой это также должно влиять на локальную концентрацию ионов, таких как Ca ²⁺ или pH, которые могут влиять на AQP (Johansson et al., 1996, 1998; Tournaire-Roux et al. , 2003; Alleva et al. , 2006). Было ясно, что шум отличался от того, о котором сообщал Wan et al. (2004) для корковых клеток молодых корней кукурузы. В клетках корня часто наблюдалось кратковременное увеличение T _1/2 после прокалывания, которое затем снижалось до небольших значений T _1/2 , которые оставались стабильными в течение нескольких часов. В корне переходные изменения относились к механическому блокированию аквапоринов (AQP), а именно, когда происходили большие изменения в потоке воды, например, во время релаксации давления при высоких пиковых значениях тургора.В отличие от корня, «шум», наблюдаемый в листе, оказался стохастическим. Большую часть этого удалось обойти, дождавшись стабильных показаний в T _1/2 перед началом лечения. Однако, несмотря на шум, результаты показали, что изменения T _1/2 из-за света и тургора были значительными, а эффекты — реальными. Эффекты света можно было отделить от тургора.

При раздельном измерении эффектов света или тургора с сохранением постоянной другой переменной было ясно, что увеличение интенсивности света уменьшало T _1/2 и увеличивало Lp .С другой стороны, при снижении тургора увеличился Т _1/2 . Результат показал, что в интактном транспирационном растении оба эффекта взаимодействуют друг с другом. Например, высокая интенсивность света может иметь тенденцию к усилению потока воды через живую ткань, но, как только водный статус (тургор / водный потенциал) снижается, уровень Lp в клетке снижается, скорее всего, из-за закрытия AQP. Это кажется разумным ответом, направленным на минимизацию потерь воды и поддержание тургора клеток, но в системе могут быть и другие переменные, такие как симпластный или апопластный pH или pCa, которые, как известно, влияют на активность AQP (Johansson et al. ., 1996, 1998; Tournaire-Roux et al. , 2003; Alleva et al. , 2006). Известно, что свет изменяет накачку протонов и Ca ²⁺ (Shabala, Newman, 1999). При установке, использованной в этой статье, эти переменные нельзя было изменять определенным образом. Для этого можно использовать иссеченные листья, а также выяснить роль непосредственного ионного окружения протопластов. Такие эксперименты в настоящее время проводятся. Ксилему перфузируют растворами определенного состава, которые содержат АБК (известно, что она стабилизирует AQP; Wan et al., 2004; Ли и др. , 2005) или определенные значения pH и pCa. Также предполагается использование хлорида ртути, который, как известно, ингибирует AQP. При условии, что AQP ингибируются светом или тургором, не должно быть никаких эффектов от лечения HgCl ₂ . В противном случае должен быть эффект. Помимо стробирования AQP, в настоящее время нельзя исключить наличие изменений в экспрессии AQP в ответ на свет. В случае грецкого ореха это, по-видимому, произошло в течение 30 минут (Cochard et al., 2007).

В настоящее время нет прямых доказательств того, что изменения в клетке Lp , вызванные тургором и светом, действительно были вызваны действием AQP, как предложено в конце предыдущего абзаца. Однако трудно понять, как изменения в клетке Lp более чем на один порядок величины могут быть обеспечены, например, изменениями проницаемости для воды липидного бислоя или других переносчиков (Maurel, 1997; Tyerman ). и др., , 1999). Однако закрытие AQP в интактных растительных клетках показало снижение Lp и в 4-20 раз (Henzler and Steudle, 1995; Zhang and Tyerman, 1999; Tyerman et al., 1999, 2002; Henzler et al. , 2004; Йе и Стейдл, 2006). Настоящий результат, что при коротком T _1/2 и высоком Lp свет больше не может воздействовать на Lp , указывает в этом направлении. В этом случае практически все AQP были бы открыты до включения света.

Непосредственный эффект света, имеющий тенденцию к увеличению клеток Lp , обнаруженный в этой статье, соответствует увеличению K _листа при освещении, как было обнаружено в исследованиях HPFM (Sack et al., 2002; Нардини и др. , 2005; Тайри и др. , 2005). Увеличение водопроницаемости клеток паренхимы может способствовать увеличению общего количества K _листа , как уже предполагалось этими авторами. Однако, прежде чем сделать вывод, необходимо полностью разобраться с вкладом клеток паренхимы в K _листа . Эта информация все еще отсутствует. Если бы клетки паренхимы были одним из основных компонентов K _листа , общая гидравлика листа по-разному реагировала бы на свет с учетом снижения тургора, вызванного светом.Предполагается, что в клетках корня кукурузы изменения тургорного давления влияют на водопроницаемость за счет блокировки AQP с помощью так называемой «механической блокировки» (Wan et al. , 2004). Настоящие результаты позволяют предположить, что эффекты были несколько иными. В клетках листа был другой тип «механического воздействия», заключающийся в том, что воспринимались абсолютные значения тургора, а не изменения тургора (и соответствующих потоков воды). Снижение тургора, вызванное светом, вызывало эффект, противоположный световому, и это могло привести к уменьшению K _листа .В этом случае следует еще раз подчеркнуть, что это будет справедливо только тогда, когда клетки паренхимы играют существенную роль в общей гидравлике листа. Как и в настоящем исследовании, требуется некоторая осторожность, прежде чем легко сделать вывод о влиянии света на клетки Lp через изменения активности AQP на основе общих измерений K _листа , а именно, с вопросом, связанным с тургором. Трудно понять, как можно разделить эффекты света и тургора во время общих измерений.

В недавнем обзоре Sack and Holbrook (2006) обобщены данные о влиянии света на K _лист 14 различных травянистых и древесных видов. Общий результат показал, что K _лист сильно реагировали на свет для многих видов. Можно утверждать, что реакция листа K _{на свет у кукурузы может полностью отличаться от реакции других растений, то есть не возрастать с увеличением интенсивности света. В зависимости от интенсивности света необходимо измерить K листьев кукурузы.Однако эти измерения потребуют, чтобы тургор оставался постоянным, чтобы избежать влияния этой переменной. Экспериментально это непросто, но проблема должна быть решена в будущем. Данные на листовом уровне, если они доступны, должны обеспечивать прямую связь гидравлики между уровнем ячейки и целым листом. Sack и Holbrook (2006) ожидали суточные изменения K листа таким образом, что K лист должны увеличиваться в ответ на увеличение света и температуры.Однако при высоких скоростях транспирации K лист должен уменьшаться, так как водный потенциал и тургорность уменьшаются. Используя метод стационарного испарения, Brodribb и Holbrook (2006) сообщили, что K листьев уменьшилось пропорционально снижению тургора клеток у 16 ​​из 19 исследованных видов. Авторы предположили, что на гидравлическую проводимость живых клеток влияет снижение тургора, как показано здесь для клеток листьев кукурузы. Ответы K листа и клетки Lp на свет следует сравнивать только в одних и тех же экспериментальных условиях, включая тургор клеток.В противном случае можно получить весьма разные и отчасти противоречивые результаты.}

Высокая вариабельность измеренных клеток Lp могла быть вызвана не только временными изменениями в клетке Lp , но также неоднородностью клеток в ткани в зависимости от их положения. Водопроницаемость клетки паренхимы может варьироваться между разными клетками в ткани, что может быть связано с местными эффектами света, опухлости или другими факторами (такими как апопластические концентрации ионов, см. Выше).Настоящее открытие высокой изменчивости T _1/2 ( Lp ) согласуется с более ранними наблюдениями Westgate и Steudle (1985), которые сообщили о неоднородности Lp для той же ткани. По данным этих авторов, Lp и индивидуальных клеток варьировали в 10 раз в зависимости от положения. Возможно, клетки должны иметь неоднородный Lp в зависимости от их расположения в ткани. В отличие от настоящей статьи Вестгейт и Стейдл (1985) не смогли провести долгосрочные измерения.Однако, используя вырезанные листья, они действительно показали, что клетка T _1/2 ( Lp ) была решающим параметром, определяющим распространение изменений водного потенциала в ткани в ответ на изменения давления в ксилеме, которые влияет на способность ткани гасить быстрые изменения водного потенциала (давления) в ксилеме. Однако в этом контексте следует учитывать и другие параметры, такие как упругие свойства клеток и гидравлическую проводимость апопласта.

Изменчивость T _1/2 ( Lp ) в 10 раз была обнаружена Tomos et al. (1981) в клетках эпидермиса листа Tradescantia virginiana и Zhu и Steudle (1991) в кортикальных клетках молодых корней кукурузы (коэффициент 5 в зависимости от клеточного слоя). Наблюдалась некоторая вариабельность тургора клеток стволовой ткани соевых бобов (Nonami et al. , 1987). Также наблюдалась вариабельность размеров клеток и ϵ до 10 раз в эпидермальных клетках листа Tradescantia virginiana (Tomos et al., 1981). Следовательно, могут быть существенные различия в параметрах водного отношения при измерении в микроскопическом масштабе. Это можно было бы выровнять при измерении общих параметров (бомба Шоландера, психрометр, HPFM).

В настоящем исследовании было исследовано влияние относительно низкой интенсивности света на клетки Lp по сравнению с теми, которые используются в полевых условиях. Чтобы смоделировать полевые условия, необходимо дополнительно изучить, как ячейка Lp будет реагировать на более высокие интенсивности света, сравнимые с полевыми.При относительно высокой интенсивности света до 2000 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ , встречающейся в полевых условиях, любопытно, как живые клетки вокруг ксилемы выживут при высоких скоростях транспирации (как они это делают). При очень отрицательном давлении ксилемы клетки могут подвергаться плазмолизу. Имеются убедительные доказательства того, что клетки не могут выдерживать существенное отрицательное тургорное давление, но до сих пор не было прямых доказательств путем измерения тургора отдельных клеток (Tyree, 1976; Oertli, 1986; Rhizopoulou, 1997; Thürmer et al., 1999). Любопытно отметить, что даже при более низкой интенсивности света, чем в поле в солнечный день, клетки испытывали тургорное давление ниже атмосферного. Пока не ясно, как растительные клетки выживают при высокой интенсивности света, то есть как они улучшают свой водный статус. Требуются дополнительные эксперименты для измерения тургора клеток и T _1/2 ( Lp ) в условиях высоких скоростей транспирации, вызывающих существенное напряжение в ксилеме.Может иметь место взаимодействие переменного водоснабжения от корней, устьиц, тургора и Lp для управления водным статусом, благоприятным для растения (Kramer and Boyer, 1995; Franks et al. , 2007).

В заключение, это детальное исследование гидравлики клеток паренхимы листьев интактных растений, которые находятся близко к сосудам ксилемы и устьицам, выявило большие диапазоны водопроницаемости (и T _1/2 ) клеток. Несмотря на некоторый шум и изменчивость гидравлики клеток, долгосрочные измерения (до 6 часов для отдельной клетки) показали, что увеличение интенсивности света увеличивало Lp, клеток (активность аквапоринов).Тургор тоже оказывал мелиоративное действие. Используя камеру корневого давления, оба эффекта можно было отделить друг от друга. Освещение листьев при поддержании постоянного тургора увеличивало клетки Lp в 3 раза за 30 мин при интенсивности света 160 мкмоль м ⁻² с ⁻¹ . Без поддержания постоянного тургора воздействие света на клетку Lp было компенсировано или даже сверхкомпенсировано снижением тургора, вызванным увеличением транспирации. Сделан вывод о том, что без разделения эффектов света и тургора результаты измерений общей гидравлики листа ( K _лист ) следует интерпретировать с осторожностью.Хотя эффекты света и тургора на клетку Lp , скорее всего, связаны со стробированием AQP, механизм (ы) действия света и тургора еще не ясен.

Авторы благодарят г-на Буркхарда Штумпфа (Департамент экологии растений, Университет Байройта) за его квалифицированную техническую помощь. Они признательны доктору Кэрол А. Петерсон (факультет биологии Университета Ватерлоо, Онтарио, Канада) и доктору Косале Ранатунге (Боннский университет, Германия) за их помощь в интерпретации анатомии листа.Эта работа была поддержана грантом Deutscher Akademischer Austauschdienst, DAAD, YXK.

Список литературы