Автор AZoNano 4 июня 2021 г.

Регулирование воды в листьях жизненно важно для здоровья растения, влияя на его рост и урожайность, восприимчивость к болезням и засухоустойчивость.

Революционная технология, разработанная исследователями Корнельского университета, использует датчики нанометрового масштаба и волоконную оптику для измерения состояния воды непосредственно на поверхности листа, где наиболее активно используется вода в растениях.

Этот инженерный подвиг обеспечивает минимально инвазивный исследовательский инструмент, который значительно продвинет понимание основ биологии растений и откроет двери для селекции более засухоустойчивых культур. Со временем технология может быть адаптирована для использования в качестве агрономического инструмента для измерения состояния воды в сельскохозяйственных культурах в режиме реального времени.

Исследование кукурузы «Минимально разрушительный метод измерения водного потенциала растений с использованием гидрогелевых нанорепортеров» опубликовано 1 июня в Proceedings of the National Academy of Sciences .

«Одна из целей состоит в том, чтобы иметь инструменты, позволяющие выражать внутреннюю биологию в мире таким образом, который может быть захвачен и оцифрован», – сказал старший автор Абрахам Строок, профессор института Смита. Школа химической и биомолекулярной инженерии Инженерного колледжа

«Современные методы измерения водного потенциала требуют деструктивного отбора проб листьев или нарушения функции листьев, », – сказал соавтор исследования Пиюш Джайн, докторант в области машиностроения. По его словам новый метод «обеспечивает минимально разрушительные и пространственно-временные измерения водного потенциала в листьях интактных растений».

За пределами транспортных тканей листьев, называемых ксилемой (жилками), находится внутренняя зона, называемая мезофиллом, где происходит большая часть фотосинтеза растений и водного стресса. Биологи подозревают, что отсюда посылаются сигналы остальной части растения для управления водой. Кроме того, на поверхности листьев и стеблей поры, называемые устьицами, открываются и закрываются, чтобы контролировать скорость обмена газов, в основном водяного пара и углекислого газа.

В этой микроскопической зоне работает новая технология.

«Теперь мы чувствуем воду прямо в этом месте, », – сказал Строок. «Мы показали, что, получая такие локальные измерения, мы можем анализировать динамику воды в тканях» минимально инвазивными способами, он сказал.

Методика включает введение наночастиц, образованных из мягкого синтетического гидрогеля, называемого AquaDust, для измерения водного потенциала листа. Гидрогель, который занимает интерстициальное пространство между клетками в мезофилле, является водопоглощающим, набухает и сжимается в зависимости от наличия воды в листе.

AquaDust содержит красители, взаимодействие которых позволяет ему флуоресцировать на разных длинах волн в зависимости от того, насколько близко друг к другу молекулы красителя. Используя волоконную оптику, исследователи могут направить свет и вернуть спектр, который обеспечивает измерение потенциала воды внутри листа.

В ходе исследования исследователи вводили AquaDust в несколько мест вдоль метровых листьев кукурузы, а затем измеряли градиенты воды как по длине листьев, так и через мезофилл. Эти измерения позволили им разработать модель реакции тканей на водный стресс и точно предсказать динамику, наблюдаемую в полевых условиях.

Эта технология может иметь коммерческое применение для исследований сельскохозяйственных культур, промышленного сельского хозяйства и обрабатывающей промышленности, но на данный момент внимание исследователей сосредоточено на бесценных измерениях очень локальной физиологии управления водными ресурсами растений. В качестве инструмента исследования он позволяет биологам-растениям лучше понять крайности водного стресса, который может привести к выведению более водосберегающих сельскохозяйственных культур.

Майкл Гор, профессор молекулярной селекции и генетики Секции селекции растений и генетики Школы интегративных наук о растениях Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни, является соавтором. Вэйчжэнь Лю, бывший научный сотрудник лаборатории Гора и нынешний адъюнкт-профессор Уханьского университета, является соавтором.

Исследование финансировалось Национальным институтом продовольствия и сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США, Управлением научных исследований ВВС США и Администрацией сельского развития Республики Корея.

Эта работа была частично выполнена в Научно-технологическом центре Cornell NanoScale, входящем в Национальную координированную инфраструктуру нанотехнологий, которая финансируется Национальным научным фондом.

Источник: https://www.cornell.edu/