Waterregulatie in bladeren is van vitaal belang voor de gezondheid van een plant, invloed op de groei en opbrengst, ziektegevoeligheid en droogteresistentie.

Een baanbrekende technologie ontwikkeld door onderzoekers van Cornell University maakt gebruik van sensoren op nanoschaal en glasvezel om de waterstatus net binnen het bladoppervlak te meten. waar water in planten het meest actief wordt beheerd.

Het technische hoogstandje biedt een minimaal invasieve onderzoekstool die het begrip van elementaire plantenbiologie aanzienlijk zal vergroten, en opent de deur voor het veredelen van meer droogteresistente gewassen. De technologie kan uiteindelijk worden aangepast voor gebruik als een agronomisch hulpmiddel voor het in realtime meten van de waterstatus in gewassen.

De studie in maïsplanten, "Een minimaal verstorende methode voor het meten van waterpotentieel in-Planta met behulp van Hydrogel Nanoreporters, " gepubliceerd op 1 juni in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Een van de doelen is om hulpmiddelen te hebben waarmee interne biologie in de wereld kan worden uitgedrukt op een manier die kan worden vastgelegd en gedigitaliseerd, " zei senior auteur Abraham Stroock, professor aan de Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering aan het College of Engineering.

"De huidige technieken voor het meten van het waterpotentieel vereisen destructieve bemonstering van bladeren of het verstoren van de bladfunctie, " zei co-eerste auteur Piyush Jain, een doctoraatsstudent werktuigbouwkunde. De nieuwe methode, hij zei, "biedt minimaal storende en ruimtelijk en tijdelijk opgeloste metingen van het waterpotentieel in bladeren van intacte planten."

Buiten de transportweefsels van bladeren, genaamd xyleem (de aderen), ligt een binnenste zone genaamd de mesofyl, waar de meeste fotosynthese en waterstress van de plant plaatsvinden. Biologen vermoeden dat van hieruit signalen naar de rest van de plant worden gestuurd voor het beheer van het water. Ook, aan de oppervlakten van bladeren en stengels, poriën genaamd huidmondjes open en dicht om de snelheid van uitwisseling van gassen te regelen, voornamelijk waterdamp en koolstofdioxide.

De nieuwe technologie werkt in deze microscopische zone.

"We voelen nu water precies op die eindplaats, "Zei Stroock. "We hebben aangetoond dat door zo'n gelokaliseerde meting te krijgen, we kunnen de dynamiek van water in de weefsels ontleden, "op minimaal invasieve manieren, hij zei.

De techniek omvat het injecteren van een nanodeeltje gevormd uit een zachte synthetische hydrogel, genaamd AquaDust, voor het meten van de waterpotentiaal van een blad. de hydrogel, die de interstitiële ruimten tussen cellen in het mesofyl inneemt, is waterabsorberend, opzwellen en krimpen op basis van waterbeschikbaarheid in het blad.

De AquaDust bevat kleurstoffen waarvan de interacties het mogelijk maken om op verschillende golflengten te fluoresceren, afhankelijk van hoe dicht de kleurstofmoleculen bij elkaar zijn. Door gebruik te maken van glasvezel, de onderzoekers kunnen een licht schijnen en een spectrum terug krijgen, die een meting geeft van het waterpotentieel in het blad.

In de studie, de onderzoekers injecteerden de AquaDust op meerdere plaatsen langs meterslange maïsbladeren en maten vervolgens de watergradiënten zowel langs de lengte van de bladeren als door het mesofyl. Dankzij deze metingen konden ze een model ontwikkelen van de weefselrespons op waterstress en de dynamiek die in het veld werd waargenomen nauwkeurig voorspellen.

Deze technologie kan commerciële toepassingen hebben voor gewasonderzoek, productie landbouw, en verwerkende industrieën, maar voorlopig ligt de focus van de onderzoekers op de onschatbare metingen van zeer lokale fysiologie van waterbeheer in planten. Als onderzoeksinstrument het stelt plantenbiologen in staat extremen van waterstress beter te begrijpen, wat zou kunnen leiden tot het veredelen van meer waterefficiënte gewassen.