科学家采用非入侵性成像技术 首次找到实时观察植物“喝水”的方法

研究负责人、光学和光子学研究小组的Kevin Webb博士解释说：“为了在不损害植物的情况下观察它们的吸水情况，我们应用了一种敏感的、基于激光的光学显微镜技术，以非侵入性的方式观察活体根部的水分运动，这在以前是从未做过的。”

“从根本上说，植物能够茁壮成长并成为高产作物的过程是基于它能多好地吸收水分，以及它能多好地管理这一过程。水作为植物组织中的营养物质、矿物质和其他生物分子的溶剂，发挥着至关重要的作用。我们已经开发出一种方法，使我们能够在单细胞水平上观察这一过程。我们不仅可以看到水在根部上升，还可以看到水在哪里以及如何流动。”

“养活世界上不断增长的人口已经是一个问题。气候变化正在导致地球上瀑布的模式和密度发生巨大变化，这导致了在遭受洪水或干旱的地区种植农作物的问题。通过选择更善于应对压力的植物，我们的目标是通过了解和使用具有最佳生存机会的植物品种来提高全球粮食生产率，这些植物在任何特定的环境中都能发挥最大的生产力，无论多么干燥或潮湿。”

它是如何工作的

在这项研究中，科学家对拟南芥的根部进行了水分运输测量，拟南芥是科学家的一种"示范植物"，因为它们可以很容易地通过基因工程来干扰诸如水分吸收等基本过程。

使用一种温和的激光，新的成像技术–基于获得诺贝尔奖的拉曼散射技术–使研究人员能够在细胞水平上测量水在拟南芥根系中的流动，并运行一个数学模型来解释和量化这一点。

研究人员使用了"重"水（氧化氘，或D2O），它在每个氢原子的原子核中含有一个额外的中子。通过在植物吸水时用激光在根部划线扫描，可以看到"重"水通过根尖移动。在经过基因改变而影响其吸水能力的拟南芥中，这些测量结果–结合数学模型–显示了根部的一个重要的水屏障。这首次证实了水的吸收在根的中央组织内受到限制，而水容器就位于该中央组织内。

该大学植物科学教授Malcolm Bennett说：“这项创新技术是植物科学中一个真正的游戏规则改变者–使研究人员首次能够在活体植物组织中以细胞和秒为单位可视化水分运动。这有望帮助我们解决一些重要的问题，如：植物如何 ‘感知’水的可用性？这个问题的答案对于设计未来的作物，以更好地适应我们面临的气候变化和天气模式改变的挑战至关重要。”

这项由Leverhulme Trust资助的研究结果发表在《自然通讯》杂志上，论文题目是："以细胞分辨率对植物根部进行无创流体力学成像"。

未来的应用

在开发该方法时，研究最初侧重于植物细胞，其大小约为人类细胞的10倍，因此更容易观察。研究小组目前正在将这些相同的方法移植到人类细胞上，以便在更小的范围内了解完全相同的各种过程。

就像植物一样，人体内有一些组织负责处理水，这对功能至关重要。例如，眼睛的透明组织可能患有液体处理疾病，包括黄斑变性和青光眼等。在未来，新的拉曼成像技术可能会成为一个有价值的医疗保健监测和检测工具。

接下来的计划

研究人员正在为他们的流体力学拉曼成像技术寻找商业途径，并且刚刚向四家英国和欧盟的农业公司申请了资金，以研究从植物叶子到根部移动的示踪剂，以了解水的两个运输方向。同时，该团队正在研究该技术的便携式版本，以使农民和科学家能够将水的运输测量带入田间，以监测在具有挑战性的当地环境中生长的作物的水处理。

该研究小组目前正在与欧盟和英国的合作伙伴一起申请欧洲研究理事会的协同资助，以使吸水和抗旱的研究成为一种新的工具，帮助选择和了解特定的作物如何与当地的特定生长条件相匹配。