德国马尔堡大学物理学家利用太赫兹光谱技术实现植物叶片水分平衡的可视化
植物如何呼吸？它们何时开启或关闭叶片上微观的气孔？这一过程对植物的水分平衡有何影响？近日，由马尔堡大学物理学家马丁·科赫教授领导的研究团队成功开发出一种创新方法，能够可视化观测这一生命过程。借助太赫兹光谱技术，科学家们首次实现了对植物气孔开闭状态的直接观察。该研究成果已发表于国际知名学术期刊《科学报告》。
植物通过叶片背面的微小气孔从空气中吸收二氧化碳，并释放氧气。在光照条件下，植物通过光合作用将二氧化碳转化为葡萄糖，同时也会因蒸腾作用失去水分。为防止过度脱水，植物通常会在夜间关闭气孔，在干旱胁迫加剧时，甚至白天也会关闭。植物如何精准调控这一平衡，直接影响其生存能力，尤其在当前全球气候变化的背景下更显关键。
马尔堡菲利普斯大学的研究团队利用太赫兹波照射植物叶片进行实验。太赫兹波可理解为波长较长的光波或频率较高的微波，其特性是能被水分子高效吸收。通过检测太赫兹信号穿透叶片后的衰减程度，研究人员可精准计算出叶片的实时含水量。结合数学模型分析测量数据，团队进一步推演出气孔开闭的具体时间与开合程度。
为验证该方法的可靠性，研究团队对比了普通拟南芥植株与特定基因突变株的水分调控表现。该突变影响了植物在干旱胁迫响应中的关键信号通路。研究第一作者约亨·泰伯解释道：“通过太赫兹光谱技术，我们直观展示了该信号通路如何影响水分平衡：存在基因缺陷的植株失水更快，因其难以根据可用水量调节自身状态。”这项技术为揭示植物水分调控机制提供了新工具，未来有望应用于筛选对气候变化更具抗逆性的作物品种。
目前，该团队正致力于推进该项测量技术的便携化与成本优化，以期在更多实验室中推广应用。
马丁·科赫教授现任教于马尔堡菲利普斯大学，主持半导体光子学研究团队。本研究所用植物材料由维尔茨堡朱利叶斯·马克西米利安大学的拉纳·赫德里希教授课题组提供。
