Een maïsblad onder de microscoop, tientallen kleine openingen die breder en smaller worden en tegelijkertijd instrumenten die meten hoeveel koolstofdioxide er binnenkomt en hoeveel water er weggaat. Voor het eerst zijn onderzoekers van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign erin geslaagd het gedrag van de huidmondjes in realtime te volgen door dit rechtstreeks te koppelen aan de gasuitwisseling van het blad.
Het systeem heet Stomata In-Sight en wordt beschreven in een onderzoek gepubliceerd in Plantenfysiologie. In de praktijk kun je die kleine “mondjes” van planten zien, terwijl ze doen wat planten altijd doen: een evenwicht zoeken tussen de CO2 die nodig is voor fotosynthese en het water dat ze dreigen te verliezen elke keer dat ze de deur openen.
Huidmondjes zijn microscopisch kleine poriën op het oppervlak van bladeren. Wanneer ze opengaan, kan koolstofdioxide plantenweefsels binnendringen; tegelijkertijd komt er echter waterdamp naar buiten. De plant moet die openingen vervolgens continu aanpassen op basis van licht, temperatuur, luchtvochtigheid en CO2-concentratie. Een microscopische onderhandeling die vrijwel de hele dag duurt.
Zie de huidmondjes terwijl het blad gassen uitwisselt
Tot nu toe beschikten wetenschappers over zeer effectieve instrumenten voor het observeren van huidmondjes en even nauwkeurige instrumenten voor het meten van fotosynthese en waterverlies. Het samenbrengen van de twee, tegelijkertijd en op hetzelfde levende blad, was veel ingewikkelder.
Stomata In-Sight brengt een zeer krachtige microscoop, instrumenten die gasuitwisselingen meten en een kunstmatig intelligentiesysteem samen. Het blad blijft leven terwijl de onderzoekers licht, temperatuur, luchtvochtigheid en CO2 monitoren en observeren hoe de huidmondjes open en dicht gaan.
Tijdens de presentatie van het onderzoek verklaarde Andrew Leakey, hoogleraar plantenbiologie aan de Universiteit van Illinois en een van de auteurs van het onderzoek:
Traditioneel moesten we kiezen tussen het zien van de huidmondjes of het meten van hun functie.
De groep testte het systeem op maïs (Zea meis), waarbij de bladeren worden blootgesteld aan verschillende lichtomstandigheden en CO2-concentraties. Op deze manier kon hij observeren hoe de opening van de huidmondjes fysiek veranderde naarmate de fotosynthese en transpiratie varieerden.
Machine learning volgt tientallen kleine openingen
Naar huidmondjes kijken is één ding. Ze urenlang één voor één meten is een ander verhaal. Om deze reden hebben de onderzoekers een machinaal leersysteem getraind dat in staat is om automatisch poriën en stomatale cellen in afbeeldingen te herkennen en hun afmetingen te berekenen. De automatische metingen van het poriënoppervlak vertoonden een sterke overeenkomst met de metingen die de wetenschappers handmatig deden.
De groep ontdekte ook dat ze onder de gebruikte experimentele omstandigheden al door het observeren van een veertigtal huidmondjes een goede inschatting konden maken van het gemiddelde gedrag van het geanalyseerde deel van het blad.
De interessante passage komt onmiddellijk daarna. Met behulp van de grootte, dichtheid en diepte van de huidmondjes die onder de microscoop werden waargenomen, konden de onderzoekers de huidmondjesgeleiding schatten, dat wil zeggen het gemak waarmee gas en waterdamp door het bladoppervlak gaan, waardoor waarden werden verkregen die dicht bij de waarden lagen die rechtstreeks door de instrumenten werden gemeten. Het gedrag van een handvol microscopisch kleine poriën begint dus te vertellen wat het hele blad doet.
Omdat het nuttig kan zijn tegen droogte
Elke opening van de huidmondjes brengt een uitwisseling met zich mee: het CO2 dat nodig is voor de fotosynthese komt binnen, het water komt eruit. Een beter begrip van hoe verschillende planten dit evenwicht beheren, zou onderzoekers kunnen helpen nuttige eigenschappen te identificeren voor het verbouwen van gewassen die water efficiënter gebruiken, een steeds belangrijker doel in de landbouw, omdat droogtes en hittegolven de beschikbaarheid van water minder betrouwbaar maken.
Dezelfde auteurs noemen als mogelijke toekomstige toepassingen de studie van de genetische kenmerken die de vorm en het gedrag van de huidmondjes reguleren, om te begrijpen welke combinaties het mogelijk maken dat gewassen een goede fotosynthese behouden terwijl ze minder water verliezen.
Natuurlijk kunnen we van hieruit naar maïs gaan die gelukkig groeit zonder irrigatie. Stomata In-Sight is een onderzoeksinstrument dat tot nu toe onder gecontroleerde omstandigheden is getest en zal worden gebruikt op andere variëteiten, soorten en omgevingsomstandigheden. Maar het stelt ons in staat om veel nauwkeuriger te kijken naar een van de mechanismen die bepalen hoeveel water een plant verbruikt om te groeien.
Een klein venster op de relatie tussen planten en klimaat
Huidmondjesgedrag komt ook voor in modellen die proberen te beschrijven hoe vegetatie reageert op hogere temperaturen, droogte en verhoogde CO2-uitstoot in de atmosfeer. Tot nu toe worden veel van deze processen weergegeven via gemiddelden en parameters die zijn afgeleid van de uitwisseling van hele bladeren. Door direct te kunnen observeren hoe individuele poriën reageren, krijgen onderzoekers een veel gedetailleerdere hoeveelheid informatie om te testen in fysiologische en klimaatmodellen.
De Universiteit van Illinois heeft al patent aangevraagd op de technologie. De volgende stap zal zijn om het te gebruiken om planten met verschillende anatomieën en strategieën te vergelijken en te begrijpen welke planten het beste compromis tussen koolstof en water kunnen vinden. Want een blad blijft, van veraf gezien, volkomen stil lijken. Onder de microscoop besteedt hij zijn tijd aan het openen en sluiten van kleine deurtjes, waarbij hij voortdurend bezig is met wat er binnenkomt en wat hij dreigt te verliezen.
