لأول مرة.. العلماء يوثقون تنفس النباتات لحظة بلحظة

تمكن العلماء لأول مرة من مشاهدة كيفية “تنفس” النباتات، حيث تنظم الهواء والمياه في الوقت الفعلي، مسامًا تلو الأخرى، بحسب التغيرات المحيطة بها.

طور فريق في أوربانا، إلينوي، نظامًا يربط تصوير الأوراق الحي بقياسات الغازات، موثقًا سلوك عشرات المسام في وقت واحد.

كيف تعمل مسام الأوراق

تفتح مسام الأوراق، وهي مسام صغيرة على الأوراق، عند تورم الخلايا المحيطة بالماء، مما يسمح بدخول الكربون مع فقدان بخار الماء.

قاد البروفسور أندرو دي. بي. ليكي من جامعة إلينوي أوربانا-شامبين هذا البحث، حيث يتتبع الفريق كيفية تعامل المحاصيل مع الحرارة والجفاف وارتفاع ثاني أكسيد الكربون وربط بيولوجيا الأوراق بالإنتاجية.

الدراسة منشورة في مجلة Plant Physiology.

قيود المجاهر التقليدية

رغم جمال الصور المجهرية، غالبًا ما تفشل في رصد تغيرات الهواء والضوء والرطوبة التي تستجيب لها المسام بسرعة.

قال الباحثون: “تقليديًا، كان علينا الاختيار بين رؤية المسام أو قياس وظائفها”، ما حد من فهمنا لاستجابة المسام لتقلبات الطقس الواقعية.

دمج ثلاث أدوات في أداة واحدة

نظام Stomata In-Sight في جامعة إلينوي يجمع بين مجهر ليزري، حساسات الغازات، وحجرة مغلقة.

يتحكم النظام في الضوء والحرارة والرطوبة وثاني أكسيد الكربون، ليبقى الورق مستقرًا بينما تسجل الكاميرات والحساسات البيانات معًا، وربط حركة المسام بتدفق الغازات الذي تنتجه.

تصوير الأوراق الحية

يتيح المجهر الماسح الضوئي بالليزر (Confocal Microscopy) قياس فتحات المسام في الأوراق الحية دون قطع الأنسجة، مع إعادة بناء صور ثلاثية الأبعاد للحفاظ على وضوح حواف المسام أثناء تغير الظروف.

قياس الكربون والماء

تتابع حساسات الغازات دخول ثاني أكسيد الكربون وخروج بخار الماء، ليتم احتساب تدفق الغازات بدقة لكل مسام بدلًا من المتوسطات العامة التي قد تخفي اختلاف سلوك المسام عبر الورقة.

الحفاظ على ظروف مستقرة

تستجيب المسام خلال دقائق لتغير الضوء أو الرطوبة. داخل الحجرة، يمكن ضبط درجة الحرارة على نحو 28°م والرطوبة 70%، مما يضمن أن أي تغيير في عرض المسام يعود لبيولوجيا النبات وليس لظروف خارجية.

أتمتة تحليل المسام

يتتبع برنامج التعلم الآلي حدود المسام تلقائيًا في الصور، ما يقلل الحاجة للتدخل البشري، مع دقة تقارب قراءات الإنسان، مع ضرورة إعادة تدريب البرنامج عند استخدام محاصيل أو كاميرات جديدة.

الحصول على أرقام دقيقة

اختيار عدد مناسب من المسام يقلل الانحراف ويضمن مقارنة فعالة بين التجارب، مع إبقاء سرعة التصوير مناسبة للعمليات الروتينية.

اختبار الضوء وثاني أكسيد الكربون

أظهرت التجارب الأولى لمساحة ورقية من الذرة أن المسام تقفل في الظلام وتفتح في الضوء الساطع ومع انخفاض ثاني أكسيد الكربون، وهو ما توافق مع قياسات الغازات، مؤكدًا أن حركات المسام تعكس طلب الورقة على الكربون.

عند إخفاء المتوسطات الحقيقة

لم تتحد المسام حول متوسط واحد، فبعضها بقي مغلقًا بينما فتح الآخر، ما يوضح أن المتوسطات قد تخفي سلوك مجموعات مختلفة تتفاعل بسرعة أو ببطء أو لا تتفاعل.

نمذجة سلوك الورقة بالكامل

حول نموذج رياضي قياسات حجم وعدد المسام إلى تدفق غازات متوقع، مطابقًا تمامًا للقراءات الحقيقية، مما يوضح كيف يعمل حجم وكثافة المسام معًا بدلًا من الاعتماد على التقديرات العامة.

حفظ المياه في المحاصيل

تشكل الريادة نسبة كبيرة من استخدام المياه في الولايات المتحدة، والجفاف يقلل الإنتاج عندما يفوق التبخر قدرة الجذور، ربط حركة المسام بتدفق الغازات قد يساعد المربين على اختيار نباتات توفر الماء دون التأثير على النمو.

هندسة الصفات دون مفاجآت

تغيير عدد أو حجم المسام قد يؤدي إلى تعويضات غير متوقعة. أظهرت التجارب في السورغم أن تقليل كثافة المسام يحسن الأداء في الجفاف، مع ضرورة التوازن الدقيق للصفات لضمان النجاح خارج المختبر.

النظام الجديد يحول سلوك المسام إلى أرقام يمكن للعلماء والمربين استخدامها، مع إمكانية تطبيقه على أنواع نباتية مختلفة وفترات إجهاد أطول مستقبلاً.