高速图像揭示了雨滴如何在植物间传播病原体

浏览次数:12 时间:1970-01-01

一种新的理论模型描述了叶子的柔韧性,流体的碎裂以及由此产生的雨滴诱导分散模式之间的关系。研究人员利用雨滴在树叶上飞溅的高速图像显示,雨滴可以作为从一种植物到另一种植物污染飞沫的分散剂。 /

历史气候记录表明,降雨可能在整个植物种群中散布锈蚀和其他病原体,直到现在,还没有探索出现这种情况的机制。视频:Melanie Gonick / MIT。高速图像:Tristen Gilet和Lydia Bourouiba /

长期以来,农民一直注意到暴雨与植物疾病暴发之间的相关性。被称为“锈病”的真菌寄生虫在雨季结束后会变得特别猖獗,吃掉小麦叶片并潜在地耗尽作物收成。

虽然历史气象记录表明,降雨可能在整个植物种群中散布锈蚀和其他病原体,但迄今尚未探索其发生的机制。

在英国皇家学会界面杂志上发表的一篇论文中,来自麻省理工学院和比利时列日大学的一个研究小组展示了高速雨滴在各种涂有污染液体的树叶上飞溅的图像。如高分辨率所见,这些雨滴可以用作分散剂,在某些情况下可以将受污染的液滴从其叶子源远离。

研究人员观察到扩散的特征模式,发现扩散的范围取决于植物的机械特性 - 特别是其合规性或灵活性。

Esther和Lydia Bourouiba,麻省理工学院土木与环境工程职业发展助理教授Harold E. Edgerton表示,了解植物机械特性与疾病传播之间的关系可能有助于农民种植更多的抗病田地。

“我们可以开始思考如何巧妙地重塑混合栽培,在这些植物的交替种类中,它们在各个生长阶段具有不同的机械性能,”该论文的高级作者Bourouiba说道。 “如果你看本土文化,混养是一个古老的概念,但这是一种科学地表明,通过交替植物在一个领域的一种方式,你可以机械和自然地降低降雨期间病原体的传播范围。”

跟踪爆发的流体动力学

列日大学的Bourouiba和Tristan Gilet在他们的论文中首先提出了一个被广泛认为的假设:病原体将叶片涂在薄膜上。

该小组对几十种常见植物进行了实验,包括常春藤,竹子,薄荷和香蕉叶。他们对每种叶子进行了数百次实验,使用了30个真实植物叶子和12个人工工程材料。在最初的试验中,研究人员通过将水通过装有小孔的容器来模拟降雨。该容器悬浮在空气中几米,高到足以使液滴达到最终速度 - 即撞击时实际雨滴的速度。

研究人员使用每秒1000帧的高速摄像记录雨滴击中每片叶片的事件序列。 Bourouiba和Gilet从这些图像中注意到,随着水的下降,叶子无法支撑薄膜,反而在其表面形成水滴。该小组得出结论,病原体反过来必须以叶片表面上的液滴而不是薄膜形式存在。

“最初可能看起来有点小差异,但是当你看到感染叶片周围的碎片和污染范围的流体动力学时,它实际上会根据[病原体]的机制改变很多动力学排出,“Bourouiba说。

为了观察这种动态差异,该团队首先在涂有薄膜的平坦表面上模拟降雨。当液滴碰到这个表面时,它喷出了薄膜物质的冠状喷雾,尽管大部分喷雾都停留在附近。相比之下,研究小组发现,溅落在覆盖着水滴而不是电影的叶子上的雨滴将这些滴落到广泛的范围内。

从月牙卫星到弹射器

为了更详细地研究雨滴对地面滴落物的影响,研究人员进行了一轮单独的实验,在这些实验中,他们用染成水的点缀叶子 - 这是病原体的一种替代物。然后,他们创建了一个模拟一滴雨的设置,使用激光精确校准叶片落在哪里。

从这些实验中,Bourouiba和Gilet观察到两种主要的分散模式:新月形构造,其中雨滴在撞击时变平坦,在染色的液滴下滑动并以弧形启动,类似于月牙形的形状;和惯性脱离,其中雨滴从未真正接触过染色的液滴,而是将叶片向下推,导致染色的液滴向下滑动,然后弹射出来 - 这是叶片反弹回来时惯性的结果。

Bourouiba和Gilet在捕获了数百种对各种叶片类型的雨滴影响之后,意识到液滴是否呈现新月形或惯性分离形态主要取决于一种性质:叶片的顺应性或灵活性。他们发现,一般来说,磁盘叶片,发射宽弧的效果较差,或流体的月牙形。然而,在一定的灵活性下,新月形图案变形为惯性脱离体,其中以比新月体能够产生的更大的液滴形式的流体从叶片上进一步抛出。

根据他们的观察,研究人员开发了一种理论模型,可以定量捕捉叶片灵活性,流体碎裂与其由雨滴引发的扩散模式之间的关系。 Bourouiba说,这个模型可能最终帮助农民设计交替作物的田地。尽管传统上混养的做法依靠通过交替具有不同抗病性的植物来减少疾病的传播,Bourouiba说植物的固有机械特性 - 而不是生物免疫学 - 本身可以帮助控制疾病的传播。

“如果这样做是最佳的,理想情况下,你可以完全减少扩散到一个邻近的工厂,它会死在那里,”Bourouiba说。 “一家工厂可能扮演盾牌的角色,受到污染,但其机械性能不足以将病原体投射到下一个工厂。所以你可以开始减少一种物种的传播效率,同时仍然有效地利用农业空间。“

康涅狄格州纽黑文康涅狄格州农业实验站的植物病理学和生态学名誉科学家Don Aylor表示,Bourouiba的研究结果可能对捣毁小植物种群的疾病特别有用。

“这可能有助于确定通常种植在邻近地区的小草植物如草莓的分离距离,”Aylor说,他没有对该研究做出贡献。 “农民也不得不考虑喷洒在这类作物中经常使用的塑料地膜上的效果。总之,这是一项很好的研究,并且介绍了一些值得跟进的发现。“

出版物:Tristan Gilet和Lydia Bourouiba,“雨水引发叶子病原体:使用高速可视化重新审视电影飞溅的假设”,Integr。比较。生物学。 (2014)54(6):974-984; doi:10.1093 / icb / icu116

资料来源:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu

图片:特里斯坦吉列和丽迪雅布鲁巴

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