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由克里希纳Ramanujan
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叶片水分调节对植物的健康至关重要,影响着植物的生长、产量、抗病能力和抗旱性。

康奈尔大学的研究人员开发了一项突破性技术,利用纳米级传感器和光纤来测量叶子表面的水分状况,而叶子表面是植物中最积极管理水分的地方。

这项工程壮举提供了一种微创的研究工具,将极大地促进对基础植物生物学的理解,并为培育更多抗旱作物打开大门。这项技术最终可能被应用于实时测量作物水分状况的农艺工具。

关于玉米植株的研究,”使用水凝胶纳米炉测量水势的微量破坏性方法,发表在6月1日的《美国国家科学院学报》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上。

资深作者说:“我们的目标之一是拥有工具,让内部生物学以一种可以被捕获和数字化的方式向世界表达出来。亚伯拉罕Stroock,Gordon L. Dibble '50在工程学院的史密斯化学和生物分子工程学院教授。

共同第一作者Piyush Jain是机械工程专业的博士生,他说:“目前测量水能的技术需要对树叶进行破坏性采样,或者破坏树叶的功能。”他说,这种新方法“提供了最小限度的破坏,并在空间和时间上解决了对完整植物叶片水势的测量。”

在被称为木质部(叶脉)的运输组织外,有一个被称为叶肉的内部区域,植物的大部分光合作用和水分胁迫都发生在这里。生物学家怀疑信号是从这里发送到工厂的其他地方来管理水。此外,在叶和茎的表面,气孔的开闭控制着气体交换的速率,主要是水蒸气和二氧化碳。

新技术在该显微区工作。

“我们现在在那个终端的地方感知水,”斯特洛克说。他说:“我们已经表明,通过获得这样的本地化测量,我们可以通过微创方式对组织中的水中的动态解剖。

这项技术涉及到注入一种被称为AquaDust的软合成水凝胶形成的纳米粒子来测量叶子的水势。占据叶肉细胞间空隙的水凝胶具有吸水性,根据叶片的水分利用率膨胀和收缩。

AquaDust中包含的染料,其相互作用使其能够根据染料分子之间的距离以不同的波长发出荧光。通过使用光纤,研究人员可以照射一束光并获得光谱,这提供了叶片内部水势的测量。

在该研究中,研究人员在沿着米长的玉米叶片中注射了多个地方的水色,然后沿着叶子的长度和叶片测量水梯度。这些测量允许它们开发对水胁迫的组织响应的模型,并准确地预测现场观察到的动态。

这项技术可能在作物研究、生产农业和制造业中有商业应用,但目前研究人员的重点是非常局部的植物水分管理生理的无价测量。作为一种研究工具,它可以让植物生物学家更好地了解极端的水分胁迫,这可能导致培育更节水的作物。

迈克尔·戈尔,Liberty Hyde Bailey教授和分子育种教授和遗传学教授植物遗传育种科植物综合科学学院作者之一,是农业与生命科学学院的教授。刘维珍,武汉大学副教授,前戈尔实验室博士后研究员,共同第一作者。

这项研究是由美国农业部的国家粮食和农业研究所、美国空军科学研究办公室和韩国农村发展管理局资助的。

这项工作是部分地进行的康奈尔纳米科学技术设施国家纳米技术协调基础设施是由国家科学基金会资助的。

这篇报道最早发表在《康奈尔纪事报》上。

标题图片:一位研究人员将AquaDust注入树叶。提供的照片

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