以納米級(jí)傳感器和光纖來(lái)測(cè)量葉子表面的水分狀況
葉片中的水分調(diào)節(jié)對(duì)植物的健康至關(guān)重要，影響其生長(zhǎng)和產(chǎn)量、易感性和抗旱性。葉子表面是植物中對(duì)水分管理最積極的地方。
康奈爾大學(xué)(Cornell University)研究人員開發(fā)的一項(xiàng)突破性技術(shù)利用納米級(jí)傳感器和光纖來(lái)測(cè)量葉子表面的水分狀況。
這項(xiàng)工程壯舉提供了一種微創(chuàng)的研究工具，將極大地促進(jìn)對(duì)基礎(chǔ)植物生物學(xué)的理解，并為培育更多抗旱作物打開大門。這項(xiàng)技術(shù)最終可能被應(yīng)用于實(shí)時(shí)測(cè)量作物水分狀況的農(nóng)藝工具。
6月1日發(fā)表在《PNAS》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上的一項(xiàng)關(guān)于玉米植株的研究，工程學(xué)院史密斯化學(xué)與生物分子工程學(xué)院教授、資深作者 Abraham Stroock說(shuō):“我們的目標(biāo)之一是，利用工具，通過(guò)捕獲和數(shù)字化的方式，將內(nèi)部生物學(xué)表達(dá)到世界上?！?/p>
共同第一作者Piyush Jain是機(jī)械工程專業(yè)的博士生，他說(shuō):“目前測(cè)量水能的技術(shù)需要對(duì)樹葉進(jìn)行破壞性采樣，或者破壞樹葉的功能?！彼f(shuō)，這種新方法“提供了最小限度的破壞，并在空間和時(shí)間上解決了對(duì)完整植物葉片水勢(shì)的測(cè)量?！?/p>
在被稱為木質(zhì)部(葉脈)的運(yùn)輸組織外，有一個(gè)被稱為葉肉的內(nèi)部區(qū)域，植物的大部分光合作用和水分脅迫都發(fā)生在這里。生物學(xué)家懷疑信號(hào)是從這里發(fā)送到工廠的其他地方來(lái)管理水。此外，在葉和莖的表面，氣孔的開閉控制著氣體交換的速率，主要是水蒸氣和二氧化碳。
這種新技術(shù)適用于這種微觀區(qū)域。
Stroock說(shuō):“我們現(xiàn)在就能在那個(gè)終點(diǎn)站感應(yīng)到水。我們已經(jīng)證明，通過(guò)這種局部測(cè)量，我們可以以微創(chuàng)的方式解剖組織中的水分動(dòng)力學(xué)?！?/p>
這項(xiàng)技術(shù)涉及到注入一種被稱為AquaDust的軟合成水凝膠形成的納米粒子來(lái)測(cè)量葉子的水勢(shì)。占據(jù)葉肉細(xì)胞間空隙的水凝膠具有吸水性，根據(jù)葉片的水分利用率膨脹和收縮。
AquaDust中包含的染料，其相互作用使其能夠根據(jù)染料分子之間的距離以不同的波長(zhǎng)發(fā)出熒光。通過(guò)使用光纖，研究人員可以照射一束光并獲得光譜，這提供了葉片內(nèi)部水勢(shì)的測(cè)量。
在這項(xiàng)研究中，研究人員沿著幾米長(zhǎng)的玉米葉片在多個(gè)地方注射AquaDust，然后測(cè)量沿葉片長(zhǎng)度和通過(guò)葉肉的水分梯度。這些測(cè)量數(shù)據(jù)使他們能夠建立一個(gè)組織對(duì)水分脅迫反應(yīng)的模型，并準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)在田間觀察到的動(dòng)態(tài)。
這項(xiàng)技術(shù)可能在作物研究、生產(chǎn)農(nóng)業(yè)和制造業(yè)中有商業(yè)應(yīng)用，但目前研究人員的重點(diǎn)是非常局部的植物水分管理生理的無(wú)價(jià)測(cè)量。作為一種研究工具，它可以讓植物生物學(xué)家更好地了解極端的水分脅迫，這可能導(dǎo)致培育更節(jié)水的作物。
