Un ricercatore inietta AquaDust nelle foglie. Credito:Cornell University
La regolazione dell'acqua nelle foglie è vitale per la salute di una pianta, influenzandone la crescita e la resa, suscettibilità alle malattie e resistenza alla siccità.
Una tecnologia rivoluzionaria sviluppata dai ricercatori della Cornell University utilizza sensori su nanoscala e fibre ottiche per misurare lo stato dell'acqua appena all'interno della superficie di una foglia, dove l'acqua nelle piante è gestita più attivamente.
L'impresa ingegneristica fornisce uno strumento di ricerca minimamente invasivo che farà avanzare notevolmente la comprensione della biologia vegetale di base, e apre la porta alla coltivazione di colture più resistenti alla siccità. La tecnologia potrebbe eventualmente essere adattata per essere utilizzata come strumento agronomico per misurare in tempo reale lo stato dell'acqua nelle colture.
Lo studio sulle piante di mais, "Un metodo minimamente distruttivo per misurare il potenziale idrico in-Planta utilizzando i nanoreporter di idrogel, " pubblicato il 1 giugno nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
"Uno degli obiettivi è disporre di strumenti che consentano di esprimere la biologia interna nel mondo in un modo che possa essere catturato e digitalizzato, " ha detto l'autore senior Abraham Stroock, professore alla Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering del College of Engineering.
"Le attuali tecniche di misurazione del potenziale idrico richiedono un campionamento distruttivo delle foglie o l'interruzione della funzione fogliare, " ha detto il co-primo autore Piyush Jain, uno studente di dottorato in ingegneria meccanica. Il nuovo metodo, Egli ha detto, "fornisce misurazioni minimamente dirompenti e risolte spazialmente e temporalmente del potenziale idrico nelle foglie delle piante intatte".
I coloranti fluorescenti in questa foglia di pianta di mais mostrano pareti cellulari epidermiche (blu), cloroplasti (verde) e nanoreporter di idrogel (AquaDust) che rivelano il potenziale idrico (rosso). Credito:Piyush Jain/Cornell University
Al di fuori dei tessuti di trasporto delle foglie, chiamato xilema (le vene), si trova una zona interna chiamata mesofillo, dove si verifica la maggior parte della fotosintesi e dello stress idrico della pianta. I biologi sospettano che da qui vengano inviati segnali al resto dell'impianto per la gestione dell'acqua. Anche, alle superfici di foglie e steli, pori chiamati stomi si aprono e si chiudono per controllare la velocità di scambio dei gas, principalmente vapore acqueo e anidride carbonica.
La nuova tecnologia funziona in questa zona microscopica.
"Ora stiamo percependo l'acqua proprio in quel punto terminale, " ha detto Stroock. "Abbiamo dimostrato che ottenendo una misurazione così localizzata, possiamo sezionare la dinamica dell'acqua nei tessuti, "con modalità minimamente invasive, Egli ha detto.
La tecnica prevede l'iniezione di una nanoparticella formata da un morbido idrogel sintetico, chiamato AquaDust, per misurare il potenziale idrico di una foglia. L'idrogel, che occupa gli spazi interstiziali tra le cellule del mesofillo, assorbe l'acqua, rigonfiamento e restringimento in base alla disponibilità di acqua nella foglia.
L'AquaDust contiene coloranti le cui interazioni gli consentono di emettere fluorescenza a diverse lunghezze d'onda a seconda di quanto le molecole di colorante siano vicine l'una all'altra. Utilizzando la fibra ottica, i ricercatori possono far brillare una luce e riavere uno spettro, che fornisce una misura del potenziale idrico all'interno della foglia.
Nello studio, i ricercatori hanno iniettato l'AquaDust in più punti lungo le foglie di mais lunghe un metro e poi hanno misurato i gradienti d'acqua sia lungo la lunghezza delle foglie che attraverso il mesofillo. Queste misurazioni hanno permesso loro di sviluppare un modello della risposta dei tessuti allo stress idrico e di prevedere con precisione le dinamiche osservate sul campo.
Questa tecnologia può avere applicazioni commerciali per la ricerca sulle colture, agricoltura di produzione, e industrie manifatturiere, ma per ora l'attenzione dei ricercatori è sulle inestimabili misurazioni della fisiologia molto locale della gestione dell'acqua nelle piante. Come strumento di ricerca, consente ai biologi vegetali di comprendere meglio gli estremi dello stress idrico, che potrebbe portare a coltivare colture più efficienti dal punto di vista idrico.
