以納米級傳感器和光纖來測量葉子表面的水分狀況

　　葉片中的水分調節對植物的健康至關重要，影響其生長和產量、易感性和抗旱性。葉子表面是植物中對水分管理最積極的地方。

　　康奈爾大學(Cornell University)研究人員開發的一項突破性技術利用納米級傳感器和光纖來測量葉子表面的水分狀況。

　　這項工程壯舉提供了一種微創的研究工具，將極大地促進對基礎植物生物學的理解，并為培育更多抗旱作物打開大門。這項技術最終可能被應用于實時測量作物水分狀況的農藝工具。

　　6月1日發表在《PNAS》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上的一項關于玉米植株的研究，工程學院史密斯化學與生物分子工程學院教授、資深作者 Abraham Stroock說:“我們的目標之一是，利用工具，通過捕獲和數字化的方式，將內部生物學表達到世界上。”

　　共同第一作者Piyush Jain是機械工程專業的博士生，他說:“目前測量水能的技術需要對樹葉進行破壞性采樣，或者破壞樹葉的功能。”他說，這種新方法“提供了最小限度的破壞，并在空間和時間上解決了對完整植物葉片水勢的測量。”

　　在被稱為木質部(葉脈)的運輸組織外，有一個被稱為葉肉的內部區域，植物的大部分光合作用和水分脅迫都發生在這里。生物學家懷疑信號是從這里發送到工廠的其他地方來管理水。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。

　　這種新技術適用于這種微觀區域。

　　Stroock說:“我們現在就能在那個終點站感應到水。我們已經證明，通過這種局部測量，我們可以以微創的方式解剖組織中的水分動力學。”

　　這項技術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測量葉子的水勢。占據葉肉細胞間空隙的水凝膠具有吸水性，根據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染料分子之間的距離以不同的波長發出熒光。通過使用光纖，研究人員可以照射一束光并獲得光譜，這提供了葉片內部水勢的測量。

　　在這項研究中，研究人員沿著幾米長的玉米葉片在多個地方注射AquaDust，然后測量沿葉片長度和通過葉肉的水分梯度。這些測量數據使他們能夠建立一個組織對水分脅迫反應的模型，并準確地預測在田間觀察到的動態。

　　這項技術可能在作物研究、生產農業和制造業中有商業應用，但目前研究人員的重點是非常局部的植物水分管理生理的無價測量。作為一種研究工具，它可以讓植物生物學家更好地了解極端的水分脅迫，這可能導致培育更節水的作物。