伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员现已创建了一个强大的新系统，使这成为可能。他们的研究发表在《植物生理学》期刊上，介绍了一种名为“气孔洞察”的工具。它克服了植物科学中的一个主要障碍，使科学家能够在精心控制的条件下观察气孔的微小运动，同时测量叶片与大气交换的气体量。
气孔为何对作物和水分利用至关重要
气孔（希腊语意为“嘴”）在全球农业中发挥着核心作用。当这些孔隙张开时，植物吸收生长所需的碳。但这一过程也会导致水分流失。由于这种权衡，叶片上气孔的数量及其开闭方式直接影响植物的水分利用效率。
理解这一过程对于培育需水量少但仍能可靠生产粮食、生物燃料和生物产品的作物至关重要，特别是在面临干旱的地区。正如研究团队所解释的那样，“传统上，我们要么只能观察气孔，要么只能测量其功能，两者不可兼得。”
早期的方法通常依赖于制作叶片印模（类似于制作牙模），这只能显示某个冻结的瞬间。其他方法则使用标准显微镜，虽然可以观察叶片，但无法控制周围环境。这一局限性至关重要，因为气孔对光、温度、湿度和二氧化碳水平的变化反应迅速。
通往活体叶片的窗口
新的“气孔洞察”系统将三种先进技术整合在一个装置中：
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活体共聚焦显微镜
这种基于激光的成像方法无需切割组织即可生成活体植物细胞的JianCe三维图像。 -
叶片气体交换测量
高灵敏度仪器精确追踪叶片吸收的二氧化碳量和释放的水蒸气量。 -
环境控制
一个特制的腔室允许研究人员精确调节光照、温度、湿度和二氧化碳，以模拟现实世界的生长条件。
通过结合这些工具，科学家可以直接观察气孔随环境条件变化的行为，从而提供以前无法实现的植物反应实时视图。
这一突破为何重要
这种对植物功能的详细观察可能会重塑作物的育种方式。通过精确定位告诉气孔何时开放或关闭的物理和化学信号，并了解气孔密度如何影响这种行为，研究人员可以识别出与“更智能”植物——即水分利用效率最高的作物——相关的遗传性状。
这一点尤为重要，因为水分可利用性是农业生产最大的单一环境限制因素。提高水分利用效率可以帮助作物抵御日益严重的炎热和干旱胁迫。
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 Joseph D. Crawford、Dustin Mayfield-Jones、Glenn A. Fried、Nicolas Hernandez 和 Andrew D.B. Leakey 开发。
关于本研究
该研究得到了美国能源部先进生物能源和生物产品创新中心、国家科学基金会以及一笔慈善捐赠的支持。研究结果发表在《植物生理学》上的一篇开放获取论文中，题为“Stomata In-Sight: Integrating Live Confocal Microscopy with Leaf Gas Exchange and Environmental Control”（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）。