Система «Stomata in-Sight» позволяет учёным в реальном времени наблюдать, как растения «дышат»

Учёные веками знали, что растения «дышат» через микроскопические поры на листьях, называемые устьицами. Эти крошечные клапаны регулируют баланс между поглощением углекислого газа для фотосинтеза и потерей водяного пара.

Теперь исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне разработали новый инструмент, который позволяет наблюдать и количественно оценивать этот процесс в реальном времени в строго контролируемых условиях окружающей среды.

Исследование, опубликованное в журнале Plant Physiology, представляет систему под названием «Stomata in-Sight». Она решает давнюю техническую проблему в биологии растений: как наблюдать за микроскопическими движениями устьичных пор, одновременно измеряя объём газообмена с атмосферой.

Устьица (от греческого «рот») критически важны для глобального сельского хозяйства. Когда они открываются, растения получают необходимый для роста углерод, но при этом теряют воду. Поэтому понимание того, как количество и работа этих пор определяют эффективность фотосинтетического газообмена, является ключом к созданию культур, требующих меньше воды для роста и способных надёжно производить пищу, биотопливо и биопродукты в условиях засухи.

«Традиционно нам приходилось выбирать между тем, чтобы увидеть устьица, или измерить их функцию», — пояснила исследовательская группа.

Предыдущие методы часто включали создание слепков листьев (как при снятии зубного слепка), что давало лишь статичный снимок, или использование стандартных микроскопов, которые наблюдают за листом, не контролируя условия его среды. Это важно, поскольку устьица сильно реагируют на изменения практически всех аспектов окружающей среды.

Репрезентативное 16-битное конфокальное микроскопическое изображение открытого устьица Zea mays (кукурузы). Автор: Plant Physiology (2025). DOI: 10.1093/plphys/kiaf600

Окно в лист

Новая система «Stomata in-Sight» объединяет три сложные технологии в одну:

• Живая конфокальная микроскопия: мощная методика визуализации, использующая лазеры для создания детальных трёхмерных изображений живых клеток без разрезания растения.
• Газообмен листа: высокоточные сенсоры, измеряющие, сколько именно CO₂ поглощает лист и сколько воды он выделяет.
• Контроль окружающей среды: камера, позволяющая исследователям управлять светом, температурой, влажностью и уровнем углекислого газа, имитируя реальные условия.

Комбинируя эти технологии, команда может наблюдать, как именно устьица реагируют на изменения в окружающей среде.

Почему это важно

Этот детальный взгляд на физиологию растений может революционизировать селекцию сельскохозяйственных культур. Понимая точные механические и химические сигналы, заставляющие устьица открываться или закрываться, и как на это влияет их количество на листе, учёные смогут выявить генетические черты, ведущие к созданию «умных» растений — культур, наиболее эффективно использующих воду. Это крайне важно, поскольку вода является фактором, наиболее ограничивающим сельскохозяйственное производство.

Система была разработана Джозефом Д. Кроуфордом, Дастином Мэйфилдом-Джонсом, Гленном А. Фридом, Николасом Эрнандесом и Эндрю Д. Б. Лики из Департамента биологии растений и Института геномной биологии Университета Иллинойса.

Больше информации: Joseph D Crawford et al, Stomata in-sight: Integrating live confocal microscopy with leaf gas exchange and environmental control, Plant Physiology (2025). DOI: 10.1093/plphys/kiaf600

Источник: University of Illinois at Urbana-Champaign

ИИ: Это прорывная разработка, которая на стыке биологии и технологий открывает новые горизонты для создания устойчивых к засухе культур. В условиях меняющегося климата такие инструменты становятся стратегически важными для продовольственной безопасности.