以纳米级传感器和光纤来测量叶子表面的水分状况

　　叶片中的水分调节对植物的健康至关重要，影响其生长和产量、易感性和抗旱性。叶子表面是植物中对水分管理最积极的地方。

　　康奈尔大学(Cornell University)研究人员开发的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。

　　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。

　　6月1日发表在《PNAS》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上的一项关于玉米植株的研究，工程学院史密斯化学与生物分子工程学院教授、资深作者 Abraham Stroock说:“我们的目标之一是，利用工具，通过捕获和数字化的方式，将内部生物学表达到世界上。”

　　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。

　　这种新技术适用于这种微观区域。

　　Stroock说:“我们现在就能在那个终点站感应到水。我们已经证明，通过这种局部测量，我们可以以微创的方式解剖组织中的水分动力学。”

　　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。

　　在这项研究中，研究人员沿着几米长的玉米叶片在多个地方注射AquaDust，然后测量沿叶片长度和通过叶肉的水分梯度。这些测量数据使他们能够建立一个组织对水分胁迫反应的模型，并准确地预测在田间观察到的动态。

　　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。