科学家首次实时拍到植物“呼吸”全过程

美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员研发出一套强大的新系统，让观察植物气孔运动与测量气体交换同步进行成为可能。他们的研究发表在《植物生理学》期刊上，介绍了名为“气孔洞察”（Stomata In-Sight）的工具。该工具克服了植物科学领域的一大障碍，能让科学家在精确控制的条件下，观察气孔的微小运动，同时测量叶片与大气之间的气体交换量。

为何气孔对作物和水分利用至关重要？气孔（希腊语意为“嘴巴”）在全球农业中扮演核心角色。当这些微小孔隙打开时，植物吸收生长所需的碳，但这一过程也会导致水分流失。正因这种权衡关系，叶片上的气孔数量及其开闭方式直接影响植物的水分利用效率。

了解这一过程对于培育需水量少却能稳定生产粮食、生物燃料和生物产品的作物至关重要，尤其是在面临干旱的地区。研究团队解释道：“传统上，我们要么只能观察气孔，要么只能测量其功能，二者不可兼得。”

早期方法常依赖制作叶片印模（类似制作牙模），只能显示某个时间点的静态状态；其他方法使用标准显微镜虽能观察叶片，却无法控制周围环境。这种局限性很关键，因为气孔会对光照、温度、湿度和二氧化碳水平的变化做出快速反应。

“气孔洞察”系统为观察活叶打开了一扇窗，它将三项先进技术整合到一个装置中：一是活体共聚焦显微镜，这种基于激光的成像技术能生成活植物细胞的清晰三维图像，无需切割组织；二是叶片气体交换测量，高灵敏度仪器可精确追踪叶片吸收的二氧化碳量和释放的水蒸气量；三是环境控制，专用培养室让研究人员能精确调节光照、温度、湿度和二氧化碳，模拟真实生长环境。

通过整合这些工具，科学家能直接观察气孔在环境条件变化时的行为，实时了解植物的反应，这在以往是无法实现的。

这一突破意义重大，对植物功能的细致观察可能重塑作物育种方式。通过确定调控气孔开闭的物理和化学信号，以及了解气孔密度如何影响其行为，研究人员能识别与“智能”植物相关的遗传特征——即水分利用效率最高的作物。

这一点尤为重要，因为水资源可获得性是农业生产面临的最大环境限制因素。提高水分利用效率有助于作物抵御日益加剧的高温和干旱胁迫。

该系统由伊利诺伊大学植物生物学系和基因组生物学研究所的约瑟夫·D·克劳福德、达斯汀·梅菲尔德-琼斯、格伦·A·弗里德、尼古拉斯·埃尔南德斯和安德鲁·D·B·利基共同研发。

关于这项研究，其得到美国能源部先进生物能源和生物产品创新中心、美国国家科学基金会以及一笔慈善捐赠的支持。研究成果发表在《植物生理学》期刊的一篇开放获取论文中，题为《气孔洞察：整合活体共聚焦显微镜与叶片气体交换及环境控制》。