叶片中的水分调节对植物的健康至关重要，会影响其生长和产量、疾病易感性和抗旱性。康奈尔大学研究人员开发的一项突破性技术使用纳米级传感器和光纤来测量叶子表面内的水分状况，在那里，植物中的水分得到最积极的管理。
这一工程壮举提供了一种微创研究工具，将极大地促进对基本植物生物学的理解，并为培育更多抗旱作物打开大门。该技术最终可以用作实时测量作物水分状况的农艺工具。
6 月 1 日在《科学院院刊》上发表的玉米植物研究“使用水凝胶纳米报告器测量植物内水势的最小干扰方法” 。
“目标之一是拥有允许内部生物学以一种可以被捕获和数字化的方式表达到世界的工具，”该学院史密斯化学与生物分子工程学院教授、资深作者亚伯拉罕·斯特罗克说。工程。
“目前测量水势的技术需要对叶子进行破坏性采样或破坏叶子功能，”共同第一作者、机械工程博士生 Piyush Jain 说。他说，这种新方法“提供了对完整植物叶子中水势的最小破坏性和时空分辨测量。”
在称为木质部(叶脉)的叶子运输组织之外，有一个称为叶肉的内部区域，植物的大部分光合作用和水分胁迫发生在那里。生物学家怀疑信号是从这里发送到植物的其他部分来管理水的。此外，在叶子和茎的表面，称为气孔的孔隙打开和关闭以控制气体(主要是水蒸气和二氧化碳)的交换速率。
新技术在这个微观区域起作用。
“我们现在正在那个终点处感应到水，”Stroock 说。“我们已经证明，通过进行这种局部测量，我们可以以微创的方式剖析组织中水的动态，”他说。
该技术涉及注入由称为 AquaDust 的软合成水凝胶形成的纳米颗粒，用于测量叶子的水势。占据叶肉细胞间间隙的水凝胶是吸水、膨胀和收缩的，这取决于叶子中的水分可用性。
AquaDust 含有染料，这些染料的相互作用允许它根据染料分子彼此之间的接近程度而在不同波长发出荧光。通过使用光纤，研究人员可以发出光并返回光谱，从而测量叶子内部的水势。
在这项研究中，研究人员将 AquaDust 注入了数米长的玉米叶子的多个位置，然后测量了沿叶子长度和通过叶肉的水梯度。这些测量使他们能够开发组织对水分压力的反应模型，并准确预测现场观察到的动态。
这项技术可能对作物研究、生产农业和制造业有商业应用，但目前研究人员的重点是对植物中非常局部的水分管理生理学进行宝贵的测量。作为一种研究工具，它使植物生物学家能够更好地了解极端缺水情况，这可能导致培育出更节水的作物。