Η ρύθμιση του νερού στα φύλλα είναι ζωτικής σημασίας για την υγεία του φυτού, επηρεάζοντας την ανάπτυξη και την απόδοσή του, την ευαισθησία στις ασθένειες και την αντοχή στην ξηρασία.
Μια πρωτοποριακή τεχνολογία που αναπτύχθηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου Cornell χρησιμοποιεί αισθητήρες νανοκλίμακας και οπτικές ίνες για τη μέτρηση της κατάστασης του νερού ακριβώς μέσα στην επιφάνεια ενός φύλλου, όπου γίνεται πιο ενεργή διαχείριση του νερού στα φυτά.
Το κατόρθωμα της μηχανικής παρέχει ένα ελάχιστα επεμβατικό εργαλείο έρευνας που θα προωθήσει σημαντικά την κατανόηση της βασικής φυτικής βιολογίας και ανοίγει την πόρτα για την αναπαραγωγή καλλιεργειών πιο ανθεκτικών στην ξηρασία. Η τεχνολογία θα μπορούσε τελικά να προσαρμοστεί για χρήση ως γεωπονικό εργαλείο για τη μέτρηση της κατάστασης του νερού στις καλλιέργειες σε πραγματικό χρόνο.
Η μελέτη σε φυτά αραβοσίτου, "A Minimally Disruptive Method for Measuring Water Potential In-Planta Using Hydrogel Nanoreporters", δημοσιεύτηκε την 1η Ιουνίου στο Proceedings of the National Academy of Sciences.
"Ένας από τους στόχους είναι να έχουμε εργαλεία που επιτρέπουν στην εσωτερική βιολογία να εκφράζεται στον κόσμο με τρόπο που να μπορεί να συλληφθεί και να ψηφιοποιηθεί", δήλωσε ο ανώτερος συγγραφέας Abraham Stroock, καθηγητής στο Smith School of Chemical and Βιομοριακή Μηχανική στο Κολλέγιο Μηχανικών.
"Οι τρέχουσες τεχνικές για μετρήσεις του υδατικού δυναμικού απαιτούν καταστροφική δειγματοληψία φύλλων ή διαταραχή της λειτουργίας των φύλλων", δήλωσε ο συν-πρώτος συγγραφέας Piyush Jain, ένας διδακτορικός φοιτητής στη μηχανολογία. Η νέα μέθοδος, είπε, «παρέχει ελάχιστα διασπαστικές και χωρικά και χρονικά επιλυμένες μετρήσεις του υδατικού δυναμικού σε φύλλα ανέπαφων φυτών."
Έξω από τους ιστούς μεταφοράς των φύλλων, που ονομάζονται ξυλώματα (οι φλέβες), βρίσκεται μια εσωτερική ζώνη που ονομάζεται μεσόφυλλο, όπου συμβαίνει το μεγαλύτερο μέρος της φωτοσύνθεσης και του υδατικού στρες του φυτού. Οι βιολόγοι υποπτεύονται ότι από εδώ στέλνονται σήματα στο υπόλοιπο εργοστάσιο για τη διαχείριση του νερού. Επίσης, στις επιφάνειες των φύλλων και των στελεχών, οι πόροι που ονομάζονται στομία ανοίγουν και κλείνουν για να ελέγχουν τον ρυθμό ανταλλαγής αερίων, κυρίως υδρατμών και διοξειδίου του άνθρακα.
Η νέα τεχνολογία λειτουργεί σε αυτήν τη μικροσκοπική ζώνη.
"Αισθανόμαστε τώρα το νερό ακριβώς σε αυτό το τερματικό σημείο", είπε ο Στρουκ. "Έχουμε δείξει ότι με μια τέτοια τοπική μέτρηση, μπορούμε να ανατέμνουμε τη δυναμική του νερού στους ιστούς" με ελάχιστα επεμβατικούς τρόπους, είπε.
Η τεχνική περιλαμβάνει την έγχυση ενός νανοσωματιδίου που αποτελείται από μια μαλακή συνθετική υδρογέλη, που ονομάζεται AquaDust, για τη μέτρηση του δυναμικού νερού ενός φύλλου. Η υδρογέλη, η οποία καταλαμβάνει τους ενδιάμεσους χώρους μεταξύ των κυττάρων στη μεσόφυλλη, είναι υδατοαπορροφητική, διογκώνεται και συρρικνώνεται με βάση τη διαθεσιμότητα νερού στο φύλλο.
Το AquaDust περιέχει βαφές των οποίων οι αλληλεπιδράσεις του επιτρέπουν να φθορίζει σε διαφορετικά μήκη κύματος ανάλογα με το πόσο κοντά είναι τα μόρια της βαφής μεταξύ τους. Χρησιμοποιώντας οπτικές ίνες, οι ερευνητές μπορούν να ρίξουν φως και να πάρουν πίσω ένα φάσμα, το οποίο παρέχει μια μέτρηση του δυναμικού νερού μέσα στο φύλλο.
Στη μελέτη, οι ερευνητές έκαναν ένεση του AquaDust σε πολλαπλά σημεία κατά μήκος των φύλλων καλαμποκιού μήκους μέτρων και στη συνέχεια μέτρησαν τις κλίσεις του νερού τόσο κατά μήκος των φύλλων όσο και μέσω της μεσόφυλλης. Αυτές οι μετρήσεις τους επέτρεψαν να αναπτύξουν ένα μοντέλο της απόκρισης των ιστών στο υδάτινο στρες και να προβλέψουν με ακρίβεια τη δυναμική που παρατηρήθηκε στο πεδίο.
Αυτή η τεχνολογία μπορεί να έχει εμπορικές εφαρμογές για την έρευνα των καλλιεργειών, τη γεωργία παραγωγής και τις μεταποιητικές βιομηχανίες, αλλά προς το παρόν η εστίαση των ερευνητών είναι στις ανεκτίμητες μετρήσεις της πολύ τοπικής φυσιολογίας της διαχείρισης του νερού στα φυτά. Ως εργαλείο έρευνας, επιτρέπει στους φυτοβιολόγους να κατανοήσουν καλύτερα τις ακραίες συνθήκες υδατικής καταπόνησης, οι οποίες θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην αναπαραγωγή καλλιέργειες πιο αποδοτικές ως προς το νερό.
