研究人员使用太赫兹光谱和成像技术深入了解了龙舌兰植物在极干燥环境中是如何如此出色地保持水分的。
龙舌兰植物可能因其在龙舌兰酒生产中的作用而广为人知，但它们在极干燥环境中保持水分的能力也相当出色。在一项新研究中，研究人员使用太赫兹光谱和成像技术深入了解了这些多肉植物如何存储和管理水分以在干燥条件下生存。
“了解植物如何适应干燥条件可能导致更好的农业实践，并可用于开发需要更少水分的作物，”来自墨西哥光学研究中心（CIO）的莫妮卡·奥尔蒂斯-马丁内斯说。“这可能带来更高的作物产量和更低的水分消耗，给农民、粮食生产和全球粮食安全带来益处。”
这项新研究利用太赫兹波，该波介于微波和中红外电磁谱区域之间。由于水对太赫兹辐射有强烈的吸收，研究人员使用太赫兹光谱和成像技术来测量植物组织中的水合水平、绘制植物内部的水分分布以及研究其果聚糖在分子水平上如何保持水分。
在奥普提卡出版集团的期刊《应用光学》中，研究人员显示太赫兹光谱是一种有效的研究植物的工具，不会造成任何损害。通过这种方法，他们发现龙舌兰植物通过在一种特殊的叶片结构中储存水分而在干燥环境中生存，其果聚糖像分子海绵一样保持湿气。
“在食品行业，我们对龙舌兰果聚糖及其卓越的水结合性质的研究可以用于开发新的食品成分，以改善水分保持、质地和保质期，特别是在干燥或加工食品中，”该论文的第一作者恩里克·卡斯特罗-卡穆斯说。 “这可能导致更健康、更持久的食品产品，使用更少的人工防腐剂。”
生物学与食品科学的结合
龙舌兰的研究始于光学研究中心的应用太赫兹科学小组与高级研究中心（CINVESTAV）的琼·辛普森之间的合作，探索龙舌兰叶片中的水分分布及其与果聚糖的生物学联系。大约在同一时间，CIO小组开始与哈利斯科州技术和设计研究中心（CIATEJ）的索科罗·维兰纽瓦进行合作，从食品科学的角度研究果聚糖（作为食品添加剂使用）如何形成微观水层，保护冷冻产品免受冷冻相关损害。最终，这两个研究结合在一起，形成了龙舌兰如何抵御极端干旱的完整故事。
对于太赫兹成像，研究人员使用了时域太赫兹光谱仪，结合了飞秒光纤激光器和亚毫米像素分辨率。他们将薄叶片切片放置在太赫兹发射器和探测器之间，然后使用水的吸收测量来绘制水分水平。他们将相同的时域太赫兹光谱仪重新配置为衰减全反射几何形状，以分析含有果聚糖的溶液。
“我们的研究在使用太赫兹技术研究植物水合作用方面引入了几项重要创新，”莫妮卡·奥尔蒂斯-马丁内斯说。“最显著的进展之一是无创水分检测–与传统方法需要切割、干燥和称量植物样本不同，太赫兹成像能够进行实时水合作用分析而不损害植物。”
分析显示，龙舌兰叶片具有一种特殊的水分储存系统，叶子的内核保持高度水合，而外层则充当保护屏障以减少水分流失。研究人员还发现，果聚糖对吸引和保持周围水分子具有卓越能力，远远强于其他糖。这是因为果聚糖的分支化学结构形成了一种多孔的海绵，可以保留水分，从而使植物在高温下保持水分。
组织级别的水分储存和分子级别的水分保持结合，使龙舌兰具有很强的抗旱能力，能够在水资源稀缺的干旱环境中繁茂生长。
拓展技术应用
接下来，研究人员计划扩展太赫兹光谱和成像的应用，以研究更广泛植物种类的抗旱性。他们希望调查不同植物在组织和分子层面如何管理水分，特别是对全球粮食安全至关重要的作物。
研究人员表示，随着进一步发展，目前优化用于实验室的设备可以制作成便携且经济高效的太赫兹系统，可以在田间或温室中进行监测。结合先进的机器学习算法更加高效地分析太赫兹图像，可以实现对水分模式和干旱压力指标的实时检测。
研究人员强调，取得具有有意义的社会和经济效益的结果需要强有力的跨学科合作，光学、植物生理学和食品科学专家之间的紧密合作是本研究的关键。
“通过推动无创植物监测方法，我们的研究为更智能、更可持续的农业实践奠定了基础，最终使农民和消费者都受益，同时帮助保护自然资源，以惠及未来的几代人，”卡斯特罗-卡穆斯说。
