Vattenreglering i löv är avgörande för en växts hälsa, påverkar dess tillväxt och avkastning, sjukdomskänslighet och torkaresistens.

En banbrytande teknologi utvecklad av Cornell University-forskare använder nanoskalasensorer och fiberoptik för att mäta vattenstatus precis innanför ett blads yta, där vatten i växter hanteras mest aktivt.

Den tekniska bedriften tillhandahåller ett minimalt invasivt forskningsverktyg som avsevärt kommer att främja förståelsen av grundläggande växtbiologi, och öppnar dörren för att odla mer torktåliga grödor. Tekniken skulle så småningom kunna anpassas för användning som ett agronomiskt verktyg för att mäta vattenstatus i grödor i realtid.

Studien i majsväxter, "En minimalt störande metod för att mäta vattenpotential i planta med hjälp av Hydrogel Nanoreporters, " publicerad 1 juni i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Ett av målen är att ha verktyg som gör att intern biologi kan uttryckas ut i världen på ett sätt som kan fångas och digitaliseras, " sa seniorförfattaren Abraham Stroock, professor vid Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering vid College of Engineering.

"Nuvarande tekniker för mätning av vattenpotential kräver destruktiv provtagning av löv eller stör bladfunktionen, " sa medförfattaren Piyush Jain, en doktorand i maskinteknik. Den nya metoden, han sa, "ger minimalt störande och rumsligt och tidsmässigt lösta mätningar av vattenpotential i löv av intakta växter."

Utanför bladens transportvävnader, kallas xylem (venerna), ligger en inre zon som kallas mesofyll, där det mesta av växtens fotosyntes och vattenstress sker. Biologer misstänker att signaler skickas härifrån till resten av anläggningen för att hantera vatten. Också, på ytan av blad och stjälkar, porer som kallas stomata öppnas och stängs för att kontrollera hastigheten för utbyte av gaser, mestadels vattenånga och koldioxid.

Den nya tekniken fungerar i denna mikroskopiska zon.

"Vi känner nu av vatten precis vid den terminalen, ", sa Stroock. "Vi har visat att genom att få en så lokaliserad mätning, vi kan dissekera dynamiken hos vatten i vävnaderna, "på minimalt invasiva sätt, han sa.

Tekniken går ut på att injicera en nanopartikel bildad av en mjuk syntetisk hydrogel, kallas AquaDust, för att mäta ett blads vattenpotential. Hydrogelen, som upptar de interstitiella utrymmena mellan celler i mesofyllet, är vattenabsorberande, svullnad och krympning baserat på vattentillgången i bladet.

AquaDust innehåller färgämnen vars interaktioner gör att det kan fluorescera vid olika våglängder beroende på hur nära färgämnesmolekylerna är varandra. Genom att använda fiberoptik, forskarna kan skina ett ljus och få tillbaka ett spektrum, som ger ett mått på vattenpotentialen inuti bladet.

I studien, forskarna injicerade AquaDust på flera ställen längs meterlånga majsblad och mätte sedan vattengradienterna både längs med bladens längd och genom mesofyllet. Dessa mätningar gjorde det möjligt för dem att utveckla en modell av vävnadens svar på vattenstress och exakt förutsäga dynamiken som observerades i fält.

Denna teknik kan ha kommersiella tillämpningar för grödaforskning, produktionsjordbruk, och tillverkningsindustrin, men för närvarande ligger forskarnas fokus på de ovärderliga mätningarna av mycket lokal fysiologi för vattenhantering i växter. Som ett forskningsverktyg, det gör det möjligt för växtbiologer att bättre förstå extrema vattenstress, vilket skulle kunna leda till att odla mer vatteneffektiva grödor.