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美媒:纳米传感器帮人类找到抗旱作物
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美媒:纳米传感器帮人类找到抗旱作物

2021-07-21 17:52:43 来源:参考消息网

【哔哥哔特导读】参考消息网7月21日报道哪些作物能战胜干旱?美国《连线》月刊网站7月2日发表文章称,纳米传感器可能提供线索。

参考消息网7月21日报道哪些作物能战胜干旱?美国《连线》月刊网站7月2日发表文章称,纳米传感器可能提供线索。全文摘编如下:

气候变化对农作物而言,按照字面意义,是一个生长问题。

传感器

地球变暖增加了全球干旱恶化的可能性。在美国,它正在威胁大豆、玉米和小麦的生产,而且未来看起来也不会变得更潮湿。因此,在缺水的情况下,我们也许会尝试种植能更有效管理水的作物。

美国康奈尔大学化学和分子生物工程学教授亚伯拉罕·斯特鲁克说:“当下的一大重点是针对正在变化的气候育种。我们希望发现新的性状和它们的基因起源来适应我们未来——我们当下在全球很多地方——炎热干燥的气候。”

但研究人员必须首先更好地了解现有植株是如何管理水分流动的。斯特鲁克及其同事研发了一款名为AquaDust的纳米传感器,它利用微小的荧光染料来说明水分是如何在植物组织中流动的。这是育种者和生物学家在微观水平上评估作物健康的一种微创方法。今年6月美国《国家科学院学报》上新发表的一篇论文描述了他们的工作。

水分对植物至关重要。它让细胞保持水分,对光合作用至关重要。但它也处于张力之下。植物从土壤中汲取水分,然后向上输送至叶片。与此同时,周围的空气通过蒸发把水分抽走,尤其是在空气又热又干的情况下。衡量这一张力的标准被称为“水势”。了解一种植物的水势很重要,因为这与植物的生长、产量以及水耗与二氧化碳吸收之间的微妙平衡有关。在干旱期间,负水势的植物可能会干涸死亡。

目前,测量这一压力的黄金标准是一种叫做朔兰德(Scholander)压力室的工具。它的大小和形状与一个打开的餐盒差不多,它包含一个压力表和样品室,外加一个外部加压气体罐。在把叶片密封在样品室后,研究人员加大压力,迫使液体从植物中流出,并得到一个读数。斯特鲁克说,但这项技术已有几十年历史,仪器很重,而且如果想要获得整个叶片的读数,就必须把叶片剪下来和毁掉。斯特鲁克是上述研究论文的合著者之一。

因此,斯特鲁克的团队正在采取一种不同的方法,一种让叶片保持生机的方法。

他们首先研发了被他们称为“AquaDust”的纳米传感器。这是由水凝胶制成,可根据水分供应量的变化而扩大或收缩。这种传感器可以混合成溶液,生成一种粉红色液体。

在目前的研究中,研究人员将溶液注入玉米叶片,之所以选择玉米叶片,部分原因是玉米对全球粮食供应至关重要。纳米传感器包裹着叶片细胞,根据水分供应量的变化膨胀或缩小。

AquaDust中的染料分子根据相互之间的距离发出不同波长的荧光,这些波长可以用一种叫做光谱仪的仪器测量。当水分垂手可得的时候,纳米传感器就会膨胀,把染料推开,并在染料发出的绿色波长中产生一个峰值。当水分不足时,纳米粒子就会收缩,而染料则会靠拢,导致在黄色波长中产生一个峰值。然后,研究人员可以将发射光谱读数转换成水势数据,而完全不会对植物造成损害。

康奈尔大学机械工程学博士研究生、论文合著者皮尤什·贾因说,这项技术可以用于叶片的不同位置,以跟踪水分流动。他说:“这项技术基本上使我们能够制作水分在不同组织流动的模型,从茎到叶片的不同部分。”

研究人员用AquaDust重点测量叶片表面下部的区域,植物在这一区域完成吸收二氧化碳、将水蒸气释放到大气中以及包装由光合作用产生的糖等重要功能。研究人员说,为了培育能够更好地管理水的作物,对水分在此类关键点的生物学和行为有更好的了解将非常有帮助。

最终,这项技术可能会用于现实世界,比如供农田或温室中的工人使用。有朝一日甚至有可能在农田中喷洒AquaDust,然后用多光谱相机迅速测量数百棵植物的水势。

美国威斯康星大学麦迪逊分校园艺学教授欧文·戈德曼说,尽管这仍是一个遥远的发展前景,但AquaDust似乎是有用的技术。并未参与这项研究的戈德曼说:“使用任何类型的遥感技术——在这里是使用纳米传感器——都是巨大的飞跃。我认为,这项技术真的是未来的发展方向。”

戈德曼说,一段时间以来,育种者一直把重点放在培育抗旱作物上。他说:“至少在过去15年里,植物育种界有这样一种观点,即我们需要将提高农作物适应性的选择纳入我们的育种计划,认为仅仅培育高产、优质或抗病品种是不够的。”但他指出,要确定哪些植物最能抵御水耗,以及哪些基因与这种适应性有关,将是一个漫长的过程,之后才能将它们与高营养和口感佳等其他理想性状结合。他说:“一旦我们确定了这些基因,那将非常有帮助。”

 

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