Науковці стверджують, що їх прилад Stomata In-Sight здатний відстежувати «дихання» рослин, що може бути застосовано для біоінженерії сільськогосподарських культур, котрі потребують менше води, що в перспективі зробить їх більш стійкими до кліматичних змін.
Репрезентативний 16-бітний конфокально-мікроскопічний знімок відкритої продихи Zea mays. (Зображення надано: Фізіологія рослин, том 199, випуск 4, грудень 2025 р., kiaf600, https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf600) Підпишіться на нашу розсилку
Дослідники розробили новий інструмент для моніторингу дихання рослин у реальному часі. За словами дослідників, ця нова технологія може посприяти ідентифікації генетичних характеристик, які роблять сільськогосподарські культури більш витривалими до глобальних змін клімату.
Продовольча система людства залежить від крихітних отворів на листі рослин. Ці мікроскопічні отвори, відомі як продихи (від грецького слова «устя»), контролюють об’єм вуглекислого газу, який поглинається рослиною, та об’єм кисню й водяної пари, які вона виділяє.
Спеціалізовані клітини оточують отвори пор, і вони розширюються та стискаються, щоб відкривати та закривати продихи. Проте вчені досі не знають достеменно, як саме окремі продихи регулюють те, що рослина вбирає та виділяє.
«Попри те, що ми вивчаємо продихи дуже, дуже давно і багато про них знаємо, нам справді важко пов’язати розуміння кількості кисню, води та вуглецю, що надходить і виходить з продихів, з тим, скільки продихів є, наскільки вони великі та як вони відкриваються», – зазначив Лікі.
Щоб краще зрозуміти цей процес, дослідники розробили пристрій Stomata In-Sight, який вони описали у дослідженні, опублікованому 17 листопада 2025 року в журналі Plant Physiology. Пристрій Stomata In-Sight поєднує в собі мікроскоп, систему для вимірювання потоку газу через продихи та аналіз зображень на основі машинного навчання. «Він вимірює сукупну активність тисяч і тисяч продихів з точки зору цих потоків вуглекислого газу та води», – розповів Лікі.
Щоб використовувати Stomata In-Sight, невеликі зразки листя поміщають у кліматично контрольовану камеру розміром приблизно з людську долоню, яка підключена до системи газообміну, пояснив Лікі. Дослідники можуть змінювати умови всередині камери, щоб спостерігати, як продихи реагують на коливання температури, наявність води та інші параметри. Мікроскоп розташований ззовні камери, спостерігаючи всередину, поки машинне навчання ідентифікує продихи на зображеннях мікроскопа, прискорюючи аналіз.
Команді знадобилося кілька років, щоб створити новий пристрій. Головною проблемою було те, що незначні коливання, такі як від вентилятора в системі газообміну, могли призвести до розмитих зображень. «Насправді це зайняло у нас близько п’яти років, і у нас, мабуть, було три прототипи, які виходили з ладу, поки ми не дійшли до остаточного рішення», – повідомив Лікі.
Команда вже використовувала систему для дослідження продихів кукурудзи (Zea mays) та інших культур. Вона також використовувала дані про продихи для зміни сорго (Sorghum bicolor, вид рослини, що вирощується на зерно), щоб воно споживало менше води. Вони ідентифікували гени, що відповідають за щільність продихів на листках сорго, і створили рослини з більш розрідженими продихами.
Університет Іллінойсу в Урбана-Шампейн запатентував цю технологію, і хоча вона ще не є комерційно доступною, Лікі сподівається, що знайдуться компанії, зацікавлені у виготовленні цього інструменту для інших дослідницьких груп.
Проте не всі вчені впевнені. Алістер Гетерингтон, почесний професор ботаніки Брістольського університету у Великій Британії, сумнівається, що новий пристрій революціонізує вивчення продихів.
«Ми можемо використовувати звичайну мікроскопію для вимірювання змін у продиховому отворі вже понад сто років, конфокальну мікроскопію – ймовірно, 25 років, а так звані методи газообміну – 50 років», – розповів він Live Science. Нове дослідження поєднує ці методи, але дослідники, ймовірно, дотримуватимуться «перевірених існуючих методів, які дають результати», – додав Гетерингтон.
Тим не менш, Лікі прагне вдосконалити інструмент, щоб розширити його корисність. Головна проблема наразі полягає в тому, що спостереження за «диханням» продихів займає дуже багато часу. «Коли ви дивитеся в мікроскоп, ви бачите в середньому від двох до трьох продихів на маленькому зразку листка, який ви розглядаєте», – пояснив він. «Але насправді вам потрібно виміряти 40 або 50 продихів, щоб врахувати варіації». Це доводиться робити вручну.
Також продихам може знадобитися кілька хвилин, щоб відреагувати на зміну умов. Це означає, що вченим доводиться чекати, поки продихи повністю відкриються або закриються, перш ніж робити наступне зображення.
«Це досить трудомісткий процес, але, можливо, ми могли б використати робототехніку та штучний інтелект, щоб перетворити його на виробничий процес», – сказав він. «У науковому співтоваристві багато ентузіазму щодо того, як ми можемо пришвидшити біологічні дослідження за допомогою таких інструментів».
Sourse: www.livescience.com