Un chercheur injecte de l'AquaDust dans les feuilles. Crédit :Université Cornell
La régulation de l'eau dans les feuilles est vitale pour la santé d'une plante, affectant sa croissance et son rendement, sensibilité aux maladies et résistance à la sécheresse.
Une technologie révolutionnaire développée par des chercheurs de l'Université Cornell utilise des capteurs nanométriques et des fibres optiques pour mesurer l'état de l'eau juste à l'intérieur de la surface d'une feuille, où l'eau dans les plantes est gérée le plus activement.
L'exploit d'ingénierie fournit un outil de recherche peu invasif qui fera considérablement progresser la compréhension de la biologie végétale de base, et ouvre la porte à la sélection de cultures plus résistantes à la sécheresse. La technologie pourrait éventuellement être adaptée pour être utilisée comme un outil agronomique pour mesurer l'état de l'eau dans les cultures en temps réel.
L'étude sur les plants de maïs, "Une méthode minimalement perturbatrice pour mesurer le potentiel hydrique in-planta à l'aide de nanoreporters d'hydrogel, " publié le 1er juin dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .
"L'un des objectifs est de disposer d'outils permettant à la biologie interne de s'exprimer dans le monde d'une manière pouvant être capturée et numérisée, " a déclaré l'auteur principal Abraham Stroock, professeur à la Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering du College of Engineering.
"Les techniques actuelles de mesure du potentiel hydrique nécessitent un échantillonnage destructif des feuilles ou perturbant la fonction foliaire, " a déclaré le co-premier auteur Piyush Jain, un doctorant en génie mécanique. La nouvelle méthode, il a dit, "fournit des mesures minimalement perturbatrices et résolues spatialement et temporellement du potentiel hydrique dans les feuilles de plantes intactes."
Les colorants fluorescents de cette feuille de maïs montrent des parois cellulaires épidermiques (bleu), les chloroplastes (vert) et les nanoreporters d'hydrogel (AquaDust) qui révèlent le potentiel hydrique (rouge). Crédit :Piyush Jain/Université de Cornell
En dehors des tissus de transport des feuilles, appelé xylème (les veines), se trouve une zone intérieure appelée mésophylle, où se produit la plupart de la photosynthèse et du stress hydrique de la plante. Les biologistes soupçonnent que des signaux sont envoyés d'ici au reste de la plante pour la gestion de l'eau. Aussi, à la surface des feuilles et des tiges, les pores appelés stomates s'ouvrent et se ferment pour contrôler le taux d'échange des gaz, principalement de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone.
La nouvelle technologie fonctionne dans cette zone microscopique.
"Nous sentons maintenant l'eau juste à cet endroit terminal, " a déclaré Stroock. "Nous avons montré qu'en obtenant une telle mesure localisée, on peut disséquer la dynamique de l'eau dans les tissus, " de manière peu invasive, il a dit.
La technique consiste à injecter une nanoparticule formée d'un hydrogel synthétique souple, appelé AquaDust, pour mesurer le potentiel hydrique d'une feuille. L'hydrogel, qui occupe les espaces interstitiels entre les cellules du mésophylle, est absorbant l'eau, gonflement et rétrécissement en fonction de la disponibilité de l'eau dans la feuille.
L'AquaDust contient des colorants dont les interactions lui permettent de produire une fluorescence à différentes longueurs d'onde en fonction de la proximité des molécules de colorant les unes par rapport aux autres. En utilisant la fibre optique, les chercheurs peuvent éclairer et récupérer un spectre, qui fournit une mesure du potentiel hydrique à l'intérieur de la feuille.
Dans l'étude, les chercheurs ont injecté l'AquaDust à plusieurs endroits le long de feuilles de maïs de plusieurs mètres de long, puis ont mesuré les gradients d'eau à la fois le long des feuilles et à travers le mésophylle. Ces mesures leur ont permis de développer un modèle de la réponse tissulaire au stress hydrique et de prédire avec précision la dynamique observée sur le terrain.
Cette technologie peut avoir des applications commerciales pour la recherche sur les cultures, production agricole, et les industries manufacturières, mais pour l'instant, les chercheurs se concentrent sur les mesures inestimables de la physiologie très locale de la gestion de l'eau chez les plantes. En tant qu'outil de recherche, il permet aux phytobiologistes de mieux comprendre les extrêmes de stress hydrique, ce qui pourrait conduire à la sélection de cultures plus économes en eau.
