基于激光的方法揭示植物气孔压力动态，提供水分效率见解

每当气温下降、云层掠过头顶或太阳落山时，植物都会做出选择：保持其被称为气孔的微观孔隙打开以吸收二氧化碳并继续进行光合作用，或者关闭它们以保护其珍贵的储水。这种打开和关闭气孔的能力要求植物通过调节气孔细胞内的压力来应对微妙的环境变化，这是植物在数亿年的进化过程中形成的一种复杂能力

由耶鲁大学环境学院的研究人员领导的一个由生物学家、物理学家和工程师组成的跨学科团队开发了一种观察这些压力变化的方法。研究人员表示，发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究详细介绍了这种新方法，它大大提高了科学家进行测量的速度和物种数量，为植物进化和生理学研究开辟了新的可能性，对提高水效具有宝贵的应用价值

“几乎每一种陆生植物都在利用这种内压原理来生长、繁殖和完成植物所做的一切，但我们以前基本上没有这种测量方法，”霍华德和玛丽亚姆·纽曼植物生理生态学教授、该研究的主要作者克雷格·布罗德森说

“因此，关于植物如何工作的许多基本理论都是基于对少数物种的一组极其有限的测量。”

该研究是该方法在苔藓植物（包括苔藓的一个谱系）气孔中的首次公开应用，该团队指出，这将有助于更好地理解地球上最早植物的进化轨迹

在黑暗适应的微小千里光保卫细胞中空化微泡溶解。请参见图1E中附带的静态图像，以及图1G中微泡半径与时间的关系图。来源：美国国家科学院院刊（2025）。DOI:10.1073/pnas.2419887122

为了测量机械地迫使气孔打开和关闭的压力变化，科学家们传统上用一根易碎的玻璃管刺穿细胞，该玻璃管的宽度只有人类头发的一小部分。试管很容易破裂，这种劳动密集型的方法只适用于细胞较大的物种

相比之下，新方法使用了一种激光系统，该系统创造性地改编自耶鲁大学医学院正在进行的研究，以了解蠕虫的神经再生

高脉冲的光能使细胞内的液体蒸发，产生微小的气泡。尽管气泡在几分之一秒内溶解，但研究小组使用高速摄像机测量了气泡的最大尺寸，该尺寸与周围的压力成正比

研究人员随后观察了压力是如何变化的，这是基于气泡对光照水平变化的反应有多大。该团队在40多种植物中成功测试了这种方法，其中包括几种细胞太小而无法研究的植物

在光适应的微小千里光保卫细胞中空化微泡溶解。请参见图1F中随附的静态图像，以及图1G中微泡半径与时间的关系图。来源：美国国家科学院院刊（2025）。DOI:10.1073/pnas.2419887122

量化这些变化将有助于科学家了解气孔打开和关闭的速度，这最终决定了植物在气孔打开时吸收多少碳和损失多少水之间的平衡。所谓的用水效率是农业的一个核心问题。布罗德森说，这些工具是开发更节水的作物品种和改善缺水环境中的灌溉管理的重要第一步

该团队正在继续改进该方法，并继续设计一个系统来实现绝对压力 More information: Craig R. Brodersen et al, In situ cavitation bubble manometry reveals a lack of light-activated guard cell turgor modulation in bryophytes, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2419887122

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences