۳ آگوست ۲۰۲۱ توسط دانشگاه ناتینگهام- تبدیل نور سبز با شدت بالا به طول موج‌های قرمز دوستدار زیست محیطی، در لیزر تیتانیوم: یاقوت کبود که در این مطالعه مورد استفاده قرار گرفت.
ناتوانی در نظارت بر جذب آب در داخل ریشه‌ها – بدون آسیب رساندن به نمونه – یک مانع اصلی برای محققانی است که به دنبال درک حرکت مایعات در سلول‌ها و بافت‌های زنده گیاهی هستند. سرپرست مطالعه، دکتر کوین وب از گروه تحقیقاتی اپتیک و فوتونیک، توضیح می‌دهد: «برای مشاهده جذب آب در گیاهان زنده بدون آسیب رساندن به آن‌ها، ما از تکنیک حساس، مبتنی بر لیزر، میکروسکوپ نوری استفاده کرده‌ایم تا حرکت آب در داخل ریشه‌های زنده را مشاهده کنیم که قبلاً هرگز انجام نشده است.
اساساً، فرایندی که گیاهان می‌توانند رشد کنند و به محصولات زراعی تبدیل شوند، بر این اساس است که چگونه گیاه می‌تواند آب را بگیرد و چگونه می‌تواند این فرایند را مدیریت کند. آب نقش اساسی را به عنوان حلال مواد مغذی، مواد معدنی و سایر مولکول‌های زیستی ایفا می‌کند. ما روشی را توسعه داده‌ایم که به خود اجازه می‌دهیم این فرایند را در سطح تک سلولی مشاهده کنیم. ما نه تنها می‌توانیم آب را در داخل ریشه بالا ببریم، بلکه می‌توانیم در مسیر دلخواه حرکت می‌کنیم.
تغذیه جمعیت درحال رشد جهان در حال حاضر یک مشکل جدی است. تغییرات آب و هوایی باعث تغییرات عظیمی در کره زمین می‌شود که منجر به مشکلاتی در رشد محصولات زراعی در مناطق سیل زده یا بروز خشکسالی می‌شود. با انتخاب گیاهانی که در بهتر با استرس مقابله می‌کنند، هدف افزایش بهره وری غذایی جهانی با درک و استفاده از انواع گیاهی با بهترین شانس برای زنده ماندن است که می‌تواند در هر محیطی، چه خشک و چه مرطوب، پربار باشد.»
برای مطالعه، اندازه گیری‌های انتقال آب بر روی ریشه‌های Arabidopsis thaliana انجام شد، که برای گیاهان نمونه است زیرا می‌توانند به راحتی مهندسی ژنتیک شوند تا در فرایندهای اساسی مانند جذب آب تداخل ایجاد کنند.
با استفاده از لیزر ملایم، تکنیک جدید تصویربرداری-بر اساس تکنیک پراکندگی رامان برنده جایزه نوبل-به محققان این امکان را داد تا آب جا به جا شده از طریق سیستم ریشه‌ای آرابیدوپسیس را در سطح سلولی اندازه گیری کرده و یک مدل ریاضی برای توضیح و کمی کردن این امر اجرا کنند.
محققان از آب سنگین اکسید دوتریوم یا D2O استفاده کردند که حاوی یک نوترون اضافی در هسته هر اتم هیدروژن است. با اسکن لیزر در یک خط روی ریشه در حین نوشیدن گیاه، می‌توان آب سنگین را که از نوک ریشه در حال عبور است مشاهده کرد.
در Arabidopsis که از نظر ژنتیکی تغییراتی در جذب آب آن ایجاد کرده بود، این اندازه گیری‌ها-همراه با مدل ریاضی-یک مانع مهم آب را در ریشه نشان داد و برای اولین بار تأیید کرد که جذب آب در بافت‌های مرکزی ریشه، که در داخل آن‌ها رگ‌های آبی قرار دارند، محدود شده است.
مالکوم بنت، استاد علوم گیاهی در دانشگاه، می‌گوید: «این تکنیک نوآورانه یک تغییر واقعی در علم گیاهان است-محققان را قادر می‌سازد تا حرکت آب را در یک سلول و مقیاس دوم در بافت‌های گیاهی زنده برای خود تجسم کنند. این به ما کمک می‌کند تا به سوالات مهمی مانند – چگونه گیاهان در دسترس بودن آب را احساس می‌کنند؟ پاسخ به این سوال برای طراحی محصولات آینده که با تغییرات آب و هوایی و تغییر الگوهای آب و هوایی بهتر سازگار هستند، بسیار مهم است.»
در حین توسعه این روش، تحقیقات در ابتدا بر روی سلول‌های گیاهی متمرکز شد که حدود ۱۰ برابر اندازه سلول‌های انسانی هستند و بنابراین به راحتی قابل مشاهده هستند. تیم تحقیقاتی در حال حاضر این روش‌های مشابه را به سلول‌های انسان منتقل می کند تا دقیقاً انواع مشابهی از فرایندها را در مقیاس حتی کوچکتر درک کنند. درست مانند گیاهان، بافت‌هایی در بدن انسان وجود دارد که وظیفه انتقال آب را بر عهده دارند، که برای عملکرد اعضای بدن بسیار مهم است.
