據外媒報道，諾丁漢大學的科學家們成為世界上第一批找到觀察植物根部如何在細胞水平上吸水和循環的方法的研究人員，這可能有助於識別未來的抗旱和抗澇作物。無法在不損壞標本的情況下監測根部的吸水情況，一直是尋求了解活體植物細胞和組織中液體運動的研究人員的一個關鍵絆腳石。
研究負責人、光學和光子學研究小組的Kevin Webb博士解釋說：“為了在不損害植物的情況下觀察它們的吸水情況，我們應用了一種敏感的、基於激光的光學顯微鏡技術，以非侵入性的方式觀察活體根部的水分運動，這在以前是從未做過的。”
“從根本上說，植物能夠茁壯成長並成為高產作物的過程是基於它能多好地吸收水分，以及它能多好地管理這一過程。水作為植物組織中的營養物質、礦物質和其他生物分子的溶劑，發揮着至關重要的作用。我們已經開發出一種方法，使我們能夠在單細胞水平上觀察這一過程。我們不僅可以看到水在根部上升，還可以看到水在哪裡以及如何流動。”
“養活世界上不斷增長的人口已經是一個問題。氣候變化正在導致地球上瀑布的模式和密度發生巨大變化，這導致了在遭受洪水或乾旱的地區種植農作物的問題。通過選擇更善於應對壓力的植物，我們的目標是通過了解和使用具有最佳生存機會的植物品種來提高全球糧食生產率，這些植物在任何特定的環境中都能發揮最大的生產力，無論多麼乾燥或潮濕。”
它是如何工作的
在這項研究中，科學家對擬南芥的根部進行了水分運輸測量，擬南芥是科學家的一種”示範植物”，因為它們可以很容易地通過基因工程來干擾諸如水分吸收等基本過程。
使用一種溫和的激光，新的成像技術–基於獲得諾貝爾獎的拉曼散射技術–使研究人員能夠在細胞水平上測量水在擬南芥根系中的流動，並運行一個數學模型來解釋和量化這一點。
研究人員使用了”重”水（氧化氘，或D2O），它在每個氫原子的原子核中含有一個額外的中子。通過在植物吸水時用激光在根部劃線掃描，可以看到”重”水通過根尖移動。在經過基因改變而影響其吸水能力的擬南芥中，這些測量結果–結合數學模型–顯示了根部的一個重要的水屏障。這首次證實了水的吸收在根的中央組織內受到限制，而水容器就位於該中央組織內。
該大學植物科學教授Malcolm Bennett說：“這項創新技術是植物科學中一個真正的遊戲規則改變者–使研究人員首次能夠在活體植物組織中以細胞和秒為單位可視化水分運動。這有望幫助我們解決一些重要的問題，如：植物如何 ‘感知’水的可用性？這個問題的答案對於設計未來的作物，以更好地適應我們面臨的氣候變化和天氣模式改變的挑戰至關重要。”
這項由Leverhulme Trust資助的研究結果發表在《自然通訊》雜誌上，論文題目是：”以細胞分辨率對植物根部進行無創流體力學成像”。
未來的應用
在開發該方法時，研究最初側重於植物細胞，其大小約為人類細胞的10倍，因此更容易觀察。研究小組目前正在將這些相同的方法移植到人類細胞上，以便在更小的範圍內了解完全相同的各種過程。
就像植物一樣，人體內有一些組織負責處理水，這對功能至關重要。例如，眼睛的透明組織可能患有液體處理疾病，包括黃斑變性和青光眼等。在未來，新的拉曼成像技術可能會成為一個有價值的醫療保健監測和檢測工具。
接下來的計劃
研究人員正在為他們的流體力學拉曼成像技術尋找商業途徑，並且剛剛向四家英國和歐盟的農業公司申請了資金，以研究從植物葉子到根部移動的示蹤劑，以了解水的兩個運輸方向。同時，該團隊正在研究該技術的便攜式版本，以使農民和科學家能夠將水的運輸測量帶入田間，以監測在具有挑戰性的當地環境中生長的作物的水處理。
該研究小組目前正在與歐盟和英國的合作夥伴一起申請歐洲研究理事會的協同資助，以使吸水和抗旱的研究成為一種新的工具，幫助選擇和了解特定的作物如何與當地的特定生長條件相匹配。