Sensorer i nanoskala måler uhåndgribelige vandstande i blade

Vandregulering i blade er afgørende for en plantes sundhed, påvirker dets vækst og udbytte, sygdomsmodtagelighed og tørkeresistens.

En banebrydende teknologi udviklet af Cornell University-forskere bruger nanoskalasensorer og fiberoptik til at måle vandstatus lige inden for et blads overflade, hvor vand i planter forvaltes mest aktivt.

Den ingeniørmæssige bedrift giver et minimalt invasivt forskningsværktøj, der i høj grad vil fremme forståelsen af ​​grundlæggende plantebiologi, og åbner døren for avl af mere tørke-resistente afgrøder. Teknologien kan på sigt tilpasses til brug som et agronomisk værktøj til at måle vandstatus i afgrøder i realtid.

Undersøgelsen i majsplanter, "En minimalt forstyrrende metode til måling af vandpotentiale i planter ved hjælp af hydrogel nanoreportere, " offentliggjort 1. juni i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Et af målene er at have værktøjer, der tillader intern biologi at blive udtrykt ud i verden på en måde, der kan indfanges og digitaliseres, " sagde seniorforfatter Abraham Stroock, professor ved Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering i College of Engineering.

"Nuværende teknikker til måling af vandpotentiale kræver destruktiv prøveudtagning af blade eller forstyrrelse af bladfunktionen, " sagde co-first forfatter Piyush Jain, en doktorand i maskinteknik. Den nye metode, han sagde, "giver minimalt forstyrrende og rumligt og tidsmæssigt løste målinger af vandpotentiale i blade af intakte planter."

Uden for bladenes transportvæv, kaldet xylem (venerne), ligger en indre zone kaldet mesofyl, hvor det meste af plantens fotosyntese og vandstress forekommer. Biologer formoder, at der sendes signaler herfra til resten af ​​anlægget til håndtering af vand. Også, på overfladen af ​​blade og stængler, porer kaldet stomata åbner og lukker for at kontrollere udvekslingshastigheden af ​​gasser, mest vanddamp og kuldioxid.

Den nye teknologi virker i denne mikroskopiske zone.

"Vi mærker nu vand lige ved det terminalsted, " sagde Stroock. "Vi har vist, at ved at få sådan en lokaliseret måling, vi kan dissekere vandets dynamik i vævene, "på minimalt invasive måder, han sagde.

Teknikken går ud på at injicere en nanopartikel dannet af en blød syntetisk hydrogel, kaldet AquaDust, til måling af et blads vandpotentiale. Hydrogelen, som optager de interstitielle rum mellem celler i mesofylet, er vandabsorberende, hævelse og krympning baseret på vandtilgængeligheden i bladet.

AquaDust indeholder farvestoffer, hvis interaktioner gør det muligt at fluorescere ved forskellige bølgelængder afhængigt af, hvor tæt farvestofmolekylerne er på hinanden. Ved at bruge fiberoptik, forskerne kan skinne med lys og få et spektrum tilbage, som giver en måling af vandpotentialet inde i bladet.

I undersøgelsen, forskerne injicerede AquaDust flere steder langs meterlange majsblade og målte derefter vandgradienterne både langs bladene og gennem mesofylen. Disse målinger gjorde det muligt for dem at udvikle en model af vævsreaktionen på vandstress og præcist forudsige dynamikken observeret i marken.

Denne teknologi kan have kommercielle anvendelser til afgrødeforskning, produktionslandbrug, og fremstillingsindustrien, men indtil videre er forskernes fokus på de uvurderlige målinger af meget lokal fysiologi af vandforvaltning i planter. Som et forskningsværktøj, det giver plantebiologer mulighed for bedre at forstå ekstreme vandstress, hvilket kan føre til avl af mere vandeffektive afgrøder.