一种测量植物细胞微观变化的创新方法

Proceedings of the National Academy of Sciences：In situ cavitation bubble manometry reveals a lack of light-activated guard cell turgor modulation in bryophytes

由耶鲁大学环境学院的研究人员领导的一个多学科团队开发了一种新的基于激光的方法，用于观察植物如何调整细胞内的压力以应对环境，这有助于为面临日益干旱的农民提供策略。

　　

每当气温下降，云层从头顶飞过，或者太阳下山时，植物就会做出选择：保持其微小的气孔（称为气孔）打开以吸收二氧化碳并继续进行光合作用，或者关闭气孔以保护其宝贵的水分储存。这种打开和关闭气孔的能力需要植物通过调节气孔细胞内的压力来对细微的环境变化做出反应——这是一种植物经过数亿年进化而来的复杂能力。

在耶鲁大学环境学院的研究人员的带领下，一个由生物学家、物理学家和工程师组成的跨学科团队开发了一种开创性的方法来观察这些压力变化。研究人员说，发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一项研究详细介绍了这种新方法，它极大地扩展了科学家可以测量的物种的数量和速率，为植物进化和生理学研究开辟了新的可能性，并为提高用水效率提供了有价值的应用。

“几乎每一种陆地植物都在利用这种内部压力的原理来生长、繁殖，并做植物所做的一切，但我们以前基本上无法获得这种测量方法，”该研究的主要作者、霍华德和玛丽亚姆·纽曼植物生理生态学教授克雷格·布罗德森说。“因此，许多关于植物如何工作的基本理论都是基于对几个物种的极其有限的测量。”

研究小组指出，这项研究是首次将该方法应用于苔藓植物（一个包括苔藓的谱系）的气孔，这将有助于更好地理解地球上最早的植物的进化轨迹。

为了测量机械上迫使气孔打开和关闭的压力变化，科学家们传统上用一个脆弱的玻璃管刺穿细胞，这个玻璃管的宽度只有人类头发的一小部分。试管很容易破裂，而且这种劳动密集型的方法只适用于细胞较大的物种。相比之下，新方法使用了一种激光系统，该系统创造性地改编自耶鲁大学医学院进行的研究，以了解蠕虫的神经再生

高脉冲光能使电池内的液体蒸发，产生微小的气泡。尽管气泡在几分之一秒内就溶解了，但研究小组使用高速摄像机测量了气泡的最大尺寸，它与周围的压力成正比。然后，研究人员观察了压力是如何变化的，这是基于气泡对光线水平变化的反应。该团队成功地在40多种植物中测试了这种方法，其中包括一些细胞太小而无法研究的植物。

量化这些变化将有助于科学家了解气孔打开和关闭的速度，这最终决定了植物在气孔打开时吸收多少碳和损失多少水之间的平衡。用水效率是农业的核心问题。Brodersen说，这些工具是在缺水环境中开发更节水的作物品种和改善灌溉管理的重要的第一步。

该团队正在继续改进该方法，最近获得了耶鲁行星解决方案和美国国家科学基金会的资助，以设计一个获得绝对压力的系统。