นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างเครื่องมือใหม่เพื่อสังเกตการหายใจของพืชแบบเรียลไทม์ เทคโนโลยีใหม่นี้อาจช่วยระบุลักษณะทางพันธุกรรมที่ทำให้พืชผลมีความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศโลกมากขึ้น
การหายใจของพืชมีส่วนประกอบสำคัญคือรูเล็ก ๆ บนใบไม้ที่เรียกว่า “ปากใบ” (stomata) ทำหน้าที่ควบคุมปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่พืชดูดซึม และปริมาณออกซิเจนและไอน้ำที่พืชหายใจออกมา
แอนดรูว์ ลีคีย์ นักชีววิทยาพืชจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา-แชมเปญ หนึ่งในทีมวิจัย กล่าวว่า “การทำความเข้าใจปากใบให้ดีขึ้นเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับเรา ผมและคนอื่น ๆ อีกมากมายกำลังมองหาวิธีการใช้การผสมพันธุ์หรือเทคโนโลยีชีวภาพเพื่อเปลี่ยนแปลงวิธีการทำงานของปากใบ เพื่อให้ได้พืชผลที่ดีขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งพืชที่ต้องการน้ำน้อยลง”
เซลล์พิเศษล้อมรอบช่องเปิดของปากใบ และเซลล์เหล่านี้จะขยายและหดตัวเพื่อเปิดและปิดปากใบ แต่เหล่านักวิทยาศาสตร์ยังไม่รู้แน่ชัดว่าปากใบแต่ละอันควบคุมการเคลื่อนตัวเข้าและออกของพืชอย่างไร
“ถึงแม้ว่าเราจะศึกษาปากใบมาเป็นเวลานานมากแล้ว และเรารู้เกี่ยวกับพวกมันเป็นอย่างดี แต่เราก็ยังคงพยายามที่จะเชื่อมโยงความเข้าใจเกี่ยวกับปริมาณออกซิเจน น้ำ และคาร์บอนที่เข้าและออกจากปากใบ กับจำนวนปากใบ ขนาดของปากใบ และวิธีการเปิดของปากใบ” ลีคีย์กล่าว
เพื่อทำความเข้าใจกระบวนการนี้ให้ดียิ่งขึ้น นักวิจัยได้พัฒนาเครื่องมือ Stomata In-Sight ซึ่งประกอบด้วยกล้องจุลทรรศน์ ระบบวัดการไหลของก๊าซผ่านปากใบ และการวิเคราะห์ภาพด้วยการเรียนรู้ของเครื่อง
“มันวัดกิจกรรมโดยรวมของปากใบหลายพันหลายหมื่นอันในแง่ของการไหลของคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ” ลีคีย์กล่าว
ลีคีย์อธิบายว่า ในการใช้ Stomata In-Sight นั้น นักวิจัยจะนำชิ้นส่วนใบไม้ขนาดเล็กไปวางไว้ในห้องควบคุมสภาพอากาศขนาดเท่าฝ่ามือ ซึ่งเชื่อมต่อกับระบบแลกเปลี่ยนก๊าซ
นักวิจัยสามารถเปลี่ยนสภาวะภายในห้องเพื่อดูว่าปากใบตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ปริมาณน้ำ และตัวชี้วัดอื่น ๆ อย่างไร กล้องจุลทรรศน์จะอยู่ด้านนอกห้องและมองเข้าไปข้างใน ในขณะที่การวิเคราะห์ด้วย machine learning จะระบุปากใบจากภาพของกล้องจุลทรรศน์ ซึ่งช่วยเร่งการวิเคราะห์ให้เร็วขึ้น
ทีมงานใช้เวลาหลายปีในการพัฒนาเครื่องมือใหม่นี้ ปัญหาสำคัญคือการสั่นสะเทือนเล็กน้อย เช่น พัดลมในระบบแลกเปลี่ยนก๊าซ อาจทำให้ภาพเบลอ “จริง ๆ แล้วเราใช้เวลาประมาณ 5 ปี และเรามีต้นแบบที่ล้มเหลวประมาณ 3 รุ่นก่อนที่จะได้วิธีแก้ปัญหาขั้นสุดท้าย” ลีคีย์กล่าว
ทีมวิจัยได้ใช้ระบบนี้ในการศึกษาปากใบของข้าวโพด (Zea mays) และพืชผลอื่น ๆ แล้ว นอกจากนี้ นักวิจัยยังนำความรู้เกี่ยวกับปากใบมาใช้ในการดัดแปลงพันธุกรรมข้าวฟ่าง (Sorghum bicolor) ให้ใช้น้ำน้อยลง พวกเขาได้ระบุยีนที่เกี่ยวกับความหนาแน่นของปากใบในใบข้าวฟ่าง และดัดแปลงพันธุกรรมพืชให้มีปากใบกระจายตัวมากขึ้น
มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา-แชมเปญ ได้จดสิทธิบัตรเทคโนโลยีนี้แล้ว และถึงแม้ว่าจะยังไม่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ แต่ลีคีย์หวังว่าอาจจะมีบริษัทที่สนใจผลิตเครื่องมือนี้ให้กับกลุ่มวิจัยอื่น ๆ
ลีคีย์กำลังมองหาวิธีปรับปรุงเครื่องมือนี้เพื่อขยายประโยชน์ใช้สอยให้กว้างขึ้น ความท้าทายหลักในขณะนี้คือ การสังเกตการ “หายใจ” ของปากใบนั้นใช้เวลานานมาก
เขาอธิบายว่า “เมื่อคุณมองผ่านกล้องจุลทรรศน์ คุณจะเห็นปากใบโดยเฉลี่ย 2-3 ปากในชิ้นส่วนเล็ก ๆ ของใบไม้ที่คุณกำลังดูอยู่ แต่จริงๆ แล้วคุณต้องวัดปากใบถึง 40 หรือ 50 ปาก เพื่อให้สามารถนับรวมความแปรปรวนได้”
นอกจากนี้ ปากใบอาจใช้เวลาหลายนาทีในการตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งหมายความว่านักวิทยาศาสตร์ต้องรอให้ปากใบเปิดหรือปิดสนิทก่อนที่จะถ่ายภาพอีกครั้ง
“มันค่อนข้างใช้แรงงานมาก แต่เป็นไปได้ที่เราจะใช้หุ่นยนต์และปัญญาประดิษฐ์เพื่อเปลี่ยนให้เป็นกระบวนการผลิตแบบสายพาน แวดวงวิทยาศาสตร์กำลังตื่นเต้นอย่างมากกับวิธีการที่เราสามารถเร่งการวิจัยทางชีววิทยาโดยใช้เครื่องมือเหล่านั้น” ลีคีย์กล่าว
อ่านงานวิจัยฉบับเต็ม ที่นี่
เรียบเรียงจาก Live Science
- คอนเทนต์พิเศษ
สำหรับคุณ - TOP ต่างประเทศ
- วิดีโอยอดนิยม
