科学家首次在不破坏样本的前提下,观察到植

很长一段时间以来，科学家们对“植物是如何吸水”的问题的研究，一直停留在实验或理论阶段上。从来没有人在不损坏植物样本的情况下，检测植物根系的水分吸收，简单来说就是，从来没有人见过一棵完好无损的植物是怎么吸水的。这一直是科学家们试图了解活体植物细胞和组织中流体运动的一个主要障碍。

生物学告诉我们，植物的根系主要靠细胞来吸水。这些细胞的吸水方式主要有三种，首先，未形成液泡的细胞靠吸胀作用来吸水，形成了液泡的细胞靠渗透作用吸水，此外植物的细胞还能够通过消耗能量来主动吸水。要验证这些理论是否正确，得让人实实在在观察到。

为了观察活体植物的吸水情况而不损坏它们，研究负责人凯文·韦伯博士和他的同事们应用了一种灵敏的、基于激光的光学显微镜技术，以非侵入性方式观察活根内的水分运动，这是以前从未有人做过的。

从根本上说，植物茁壮成长的过程取决于它吸收水分的能力以及它对这一过程的管理能力。水作为植物组织中营养物质、矿物质和其他生物分子的溶剂起着至关重要的作用。通过这项新技术，可以让我们自己在单个细胞的水平上观察这个过程。我们不仅可以看到水在根部向上流动，还可以看到水在哪里以及如何流动。

养活世界上不断增长的人口已经是一个问题。气候变化正在导致地球的地理环境发生巨大变化，从而导致在遭受洪水或干旱影响的地区种植作物出现问题。通过这些研究，科学家们能够选择更好地应对压力的植物，目标是通过了解和使用在任何特定环境中都能最有效地生存的植物品种来提高全球粮食生产率。

工作原理

在这项研究中，研究人员对拟南芥这种植物的根进行了水分传输测量。拟南芥是科学家的“模式植物”，因为它们可以很容易地通过基因工程干扰水分吸收等基本过程。

利用柔和的激光，基于诺贝尔奖获得者拉曼散射技术的新成像技术使研究人员能够在细胞水平上测量通过拟南芥根系的水分，并运行数学模型来解释和量化这一点。研究人员使用的是“重水”（氧化氘，或D2O），重水分子的每个氢原子的原子核中都含有额外的中子。当植物喝水时，通过在根部扫描一条激光线，可以看到“重水”通过根尖流过。

在拟南芥中，通过基因改造降低了其水分吸收，这些测量结果与数学模型相结合，揭示了根内一个重要的水分屏障。这第一次证实了根系中心组织内的水分吸收受到限制，而根系中心组织内的水管则位于该组织内。

研究人员说，这种创新的技术是植物科学中一个真正的规则改变者，使研究者能够第一次在活体植物组织中观察细胞的水运动。这将有助于我们解决一些重要问题，比如植物如何“感知”水的可用性？这个问题的答案对于设计更好地适应气候变化和气候模式变化所带来挑战的未来作物至关重要。

未来的应用

在开发该方法时，研究最初集中在植物细胞上，植物细胞的大小约为人类细胞的10倍，因此更容易观察到。研究团队目前正在将这些相同的方法移植到人类细胞中，以便在更小的规模上完全观察到相同的过程。

就像植物一样，人体中也有负责处理水的组织，这对功能至关重要。例如，眼睛的透明组织可能患有液体处理疾病，包括晶状体白内障；黄斑变性和青光眼。未来，新的拉曼成像技术可能成为一种有价值的医疗监测和检测工具。

目前，研究人员正在为他们的流体力学拉曼成像技术寻找一条商业途径，他们正在研究从植物叶片到根部的示踪剂，以了解水的双向传输。与此同时，该团队正在研发便携式技术，让农民和科学家能够在田间进行水分传输测量，以监测在当地环境挑战下种植的作物的水分处理情况。