Sensoren op nanoschaal meten ongrijpbare waterstanden in bladeren

Waterregulatie in bladeren is van vitaal belang voor de gezondheid van een plant en beïnvloedt de groei en opbrengst, ziektegevoeligheid en droogteresistentie.

Een baanbrekende technologie ontwikkeld door onderzoekers van Cornell University maakt gebruik van sensoren op nanoschaal en glasvezel om de waterstatus te meten net binnen het bladoppervlak, waar het water in planten het meest actief wordt beheerd.

Het technische hoogstandje biedt een minimaal invasieve onderzoekstool die het begrip van de basisbiologie van planten aanzienlijk zal vergroten en de deur opent voor het kweken van meer droogteresistente gewassen. De technologie kan uiteindelijk worden aangepast voor gebruik als een agronomisch hulpmiddel voor het in realtime meten van de waterstatus in gewassen.

De studie in maïsplanten, “A Minimaal verstorende methode voor het meten van waterpotentieel in-Planta met behulp van Hydrogel Nanoreporters”, gepubliceerd op 1 juni in de Proceedings van de National Academy of Sciences.

“Een van de doelen is om tools te hebben waarmee interne biologie in de wereld kan worden uitgedrukt op een manier die kan worden vastgelegd en gedigitaliseerd”, zegt hoofdauteur Abraham Stroock, professor aan de Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering in het College van Ingenieur.

“De huidige technieken voor het meten van het waterpotentieel vereisen destructieve bemonstering van bladeren of het verstoren van de bladfunctie”, zegt co-eerste auteur Piyush Jain, een doctoraalstudent werktuigbouwkunde. De nieuwe methode, zei hij, “biedt minimaal storende en ruimtelijk en tijdelijk opgeloste metingen van het waterpotentieel in bladeren van intacte planten.”

Buiten de transportweefsels van bladeren, xyleem (de aderen) genaamd, ligt een binnenste zone die het mesofyl wordt genoemd, waar de meeste fotosynthese en waterstress van de plant plaatsvinden. Biologen vermoeden dat van hieruit signalen naar de rest van de plant worden gestuurd voor het beheer van het water. Ook op de oppervlakken van bladeren en stengels openen en sluiten poriën, huidmondjes genoemd, de uitwisselingssnelheid van gassen, meestal waterdamp en koolstofdioxide.

De nieuwe technologie werkt in deze microscopische zone.

“We voelen nu water precies op die eindplaats,” zei Stroock. “We hebben aangetoond dat we door zo’n gelokaliseerde meting te krijgen, de dynamiek van water in de weefsels kunnen ontleden,” op minimaal invasieve manieren, zei hij.

De techniek omvat het injecteren van een nanodeeltje gevormd uit een zachte synthetische hydrogel, AquaDust genaamd, voor het meten van het waterpotentieel van een blad. De hydrogel, die de interstitiële ruimten tussen cellen in het mesofyl inneemt, is waterabsorberend, zwelt en krimpt op basis van de beschikbaarheid van water in het blad.

De AquaDust bevat kleurstoffen waarvan de interacties het mogelijk maken om op verschillende golflengten te fluoresceren, afhankelijk van hoe dicht de kleurstofmoleculen bij elkaar zijn. Door glasvezel te gebruiken, kunnen de onderzoekers een licht schijnen en een spectrum terugkrijgen, dat een meting geeft van de waterpotentiaal in het blad.

In het onderzoek injecteerden de onderzoekers de AquaDust op meerdere plaatsen langs meterslange maïsbladeren en maten vervolgens de watergradiënten zowel langs de lengte van de bladeren als door het mesofyl. Dankzij deze metingen konden ze een model ontwikkelen van de weefselrespons op waterstress en de dynamiek die in het veld werd waargenomen nauwkeurig voorspellen.

Deze technologie kan commerciële toepassingen hebben voor gewasonderzoek, productielandbouw en productie-industrieën, maar voorlopig ligt de focus van de onderzoekers op de onschatbare metingen van zeer lokale fysiologie van waterbeheer in planten. Als onderzoeksinstrument stelt het plantenbiologen in staat extremen van waterstress beter te begrijpen, wat zou kunnen leiden tot het veredelen van meer waterefficiënte gewassen.