علماء يكشفون كيف “تتنفس” النباتات وتوفر الماء باستخدام تصوير الأوراق

تمكن العلماء لأول مرة من مراقبة كيفية تنظيم النباتات للهواء والماء في الوقت الفعلي، لكل مسام على حدة، مع تغير الظروف المحيطة بها.

طور فريق في أوربانا بولاية إلينوي نظامًا يربط تصوير الأوراق المباشر بقياسات الغازات، موثقًا سلوك عشرات المسام في الوقت نفسه.

المسام، وهي فتحات صغيرة على الأوراق، تفتح عندما تنتفخ الخلايا المحيطة بالماء، مما يسمح بدخول ثاني أكسيد الكربون مع فقدان قليل للبخار.

قاد البروفيسور أندرو دي. بي. ليكي من جامعة إلينوي أوربانا-شامبين الفريق، الذي يتابع استجابة المحاصيل للحرارة والجفاف وارتفاع مستويات الكربون، ويربط بيولوجيا الأوراق بالإنتاجية الميدانية.

تم نشر الدراسة في دورية Plant Physiology.

حدود الميكروسكوبات التقليدية

تتيح الميكروسكوبات صورًا دقيقة، لكنها غالبًا لا تلتقط التغيرات السريعة في الهواء والضوء والرطوبة التي تستجيب لها المسام.

وشرح الباحثون: “تقليديًا كان علينا الاختيار بين رؤية المسام أو قياس وظيفتها”، مما حد من فهم استجابة الأوراق للظروف الحقيقية.

ثلاث أدوات في نظام واحد

نظام Stomata In-Sight في جامعة إلينوي يجمع ميكروسكوب ليزر، مستشعرات غازات، وحجرة مغلقة، للتحكم في الضوء والحرارة والرطوبة وثاني أكسيد الكربون، مع تسجيل الصور والقياسات في الوقت نفسه.

تصوير الأوراق الحية

يتيح تصوير الميكروسكوب الكونفوكالي (Confocal) قياس فتحات المسام في أوراق حية دون قطعها، مع إعادة بناء ثلاثية الأبعاد للحفاظ على وضوح الحواف أثناء تغير الظروف.

تتابع المستشعرات دخول ثاني أكسيد الكربون وخروج بخار الماء، لتحديد معدلات الامتصاص والفقد بدقة لكل منطقة من الورقة.

تستجيب المسام خلال دقائق لتغير الضوء أو الرطوبة، لذا توفر الحجرة بيئة ثابتة لضمان أن أي تغيير في الفتح يعكس نشاطًا بيولوجيًا وليس ظروفًا خارجية.

استخدم الفريق برامج التعلم الآلي لتتبع المسام تلقائيًا، مع نتائج متقاربة جدًا مع القياسات البشرية.

اختبارات الضوء وثاني أكسيد الكربون

في تجارب على ذرة الذرة (الذرة الصفراء)، ظلت المسام مغلقة في الظلام، وفتحت بشكل واسع مع الضوء الساطع وانخفاض ثاني أكسيد الكربون، متوافقة مع قياسات الغازات.

توفير المياه في المحاصيل

يستهلك الري جزءًا كبيرًا من المياه العذبة، وتساعد معرفة حركة المسام على زيادة كفاءة استخدام المياه، أي زيادة الكربون المكتسب مقابل فقد الماء.

توجيه التهجين الزراعي

قد يؤدي تعديل حجم أو عدد المسام إلى نتائج غير متوقعة، لكن الأنظمة التي تتابع المسام والغازات معًا تساعد المربين على الكشف المبكر عن أي تعويضات قبل تطبيقها في الحقل.

سيحتاج البحث المستقبلي إلى اختبار أنواع نباتية إضافية وفترات إجهاد أطول، لكن المنهجية الحالية تضمن نتائج قابلة للمقارنة بين التجارب.