يشاهد العلماء أفواه النباتات المجهرية وهي تتنفس في الوقت الفعلي باستخدام أداة بحجم كف اليد

ابتكر العلماء أداة جديدة لمراقبة النباتات وهي تتنفس في الوقت الحقيقي. يمكن أن تساعد التكنولوجيا الجديدة في تحديد السمات الوراثية التي تجعل المحاصيل أكثر قدرة على الصمود أمام العالم تغير المناخيقول الباحثون.

يعتمد النظام الغذائي للإنسانية على المسام الصغيرة الموجودة في أوراق النباتات. وتسمى هذه المسام المجهرية الثغور (من الكلمة اليونانية للفم) تنظيم كمية ثاني أكسيد الكربون التي يستهلكها النبات وكم الأوكسجين وبخار الماء الذي يتنفسه.

“من المهم جدًا بالنسبة لنا أن نفهم الثغور بشكل أفضل،” مؤلف مشارك في الدراسة أندرو ليكيوقال عالم الأحياء النباتية في جامعة إلينوي أوربانا شامبين لـ Live Science. “أنا والعديد من الأشخاص الآخرين، نتطلع إلى إيجاد طرق لاستخدام إما التربية أو التكنولوجيا الحيوية لتغيير الطريقة التي تعمل بها الثغور من أجل إنتاج محاصيل أفضل، خاصة تلك التي تحتاج إلى كميات أقل من المياه.”

تحيط الخلايا المتخصصة بفتحات المسام، وتتوسع وتتقلص لفتح وإغلاق الثغور. لكن العلماء ما زالوا لا يعرفون بالضبط كيف تنظم الثغور الفردية ما يتحرك فيه النبات إلى الداخل والخارج.

قال ليكي: “على الرغم من حقيقة أننا درسنا الثغور لفترة طويلة جدًا، ونعرف الكثير عنها، إلا أننا نكافح حقًا لربط فهم كمية الأكسجين والماء والكربون التي تدخل وتخرج من الثغور مع عدد الثغور الموجودة، وحجمها، وكيفية فتحها”.

ولفهم هذه العملية بشكل أفضل، طور الباحثون أداة Stomata In-Sight، والتي وصفوها في دراسة نشرت في 17 نوفمبر 2025 في المجلة. فسيولوجيا النبات. تجمع أداة Stomata In-Sight بين المجهر ونظام لقياس تدفق غاز الثغور وتحليل الصور بالتعلم الآلي. وقال ليكي: “إنه يقيس النشاط الجماعي لآلاف وآلاف من الثغور فيما يتعلق بتدفق ثاني أكسيد الكربون والماء”.

وأوضح ليكي أنه لاستخدام Stomata In-Sight، يتم وضع قطع صغيرة من الأوراق في غرفة يتم التحكم في مناخها بحجم كف الإنسان تقريبًا، وهي متصلة بنظام تبادل الغازات. يمكن للباحثين تغيير الظروف داخل الغرفة لمعرفة كيفية استجابة الثغور للتغيرات في درجة الحرارة، وتوافر المياه وغيرها من العوامل. يجلس المجهر خارج الحجرة، وينظر إلى الداخل، بينما يحدد تحليل التعلم الآلي الثغور من صور المجهر، مما يؤدي إلى تسريع عملية التحليل.

لقد استغرق الفريق عدة سنوات لتطوير الأداة الجديدة. وكانت المشكلة الرئيسية هي أن الاهتزازات الصغيرة – مثل المروحة الموجودة في نظام تبادل الغاز – يمكن أن تؤدي إلى صور ضبابية. وقال ليكي: “لقد استغرق هذا الأمر حوالي خمس سنوات، وربما كان لدينا ثلاثة نماذج أولية فشلت عندما وصلنا إلى الحل النهائي”.

وقد استخدم الفريق بالفعل النظام للنظر في ثغور الذرة (زيا ميس) وغيرها من المحاصيل. كما أنها استخدمت الرؤى حول الثغور لهندسة الذرة الرفيعة (الذرة الرفيعة ذات اللونينوهو نوع من النباتات يزرع للحبوب) لاستخدام كميات أقل من المياه. لقد حددوا الجينات المسؤولة عن كثافة الثغور على أوراق الذرة الرفيعة وهندسة النباتات ذات الثغور الأكثر انتشارًا.

حصلت جامعة إلينوي أوربانا شامبين على براءة اختراع لهذه التكنولوجيا، وعلى الرغم من أنها غير متاحة تجاريًا، يأمل ليكي أن تكون هناك شركات مهتمة بإنتاج الأداة لمجموعات بحثية أخرى.

لكن ليس كل العلماء مقتنعين بذلك. أليستير هيذرينجتونيشكك أستاذ علم النبات الفخري بجامعة بريستول بالمملكة المتحدة في أن تُحدث الأداة الجديدة ثورة في دراسة الثغور.

وقال لـ Live Science: “لقد تمكنا من استخدام الفحص المجهري التقليدي لقياس التغيرات في فتحة الثغور لأكثر من مائة عام، والمجهر متحد البؤر لمدة 25 عامًا على الأرجح، وما يسمى بتقنيات تبادل الغازات لمدة 50 عامًا”. وأضاف هيذرينجتون أن الدراسة الجديدة تجمع بين التقنيات معًا، لكن من المرجح أن يلتزم الباحثون بـ “التقنيات الموجودة التي تم تجربتها واختبارها والتي تحقق نتائج”.

ومع ذلك، فإن ليكي يتطلع إلى تحسين الأداة لتوسيع نطاق فائدتها. التحدي الرئيسي في الوقت الحالي هو أن مشاهدة الثغور وهي “تتنفس” تستغرق وقتًا طويلاً للغاية. وأوضح: “عندما تنظر من خلال المجهر، ترى في المتوسط ​​اثنين إلى ثلاثة ثغور في قطعة الورقة الصغيرة التي تنظر إليها”. “لكنك في الواقع تحتاج إلى قياس 40 أو 50 ثغرة من أجل حساب الاختلاف.” يجب أن يتم ذلك يدويًا.

أيضًا، قد يستغرق الأمر بضع دقائق حتى تستجيب الثغور للظروف المتغيرة. وهذا يعني أنه يتعين على العلماء الانتظار حتى تنتهي الثغور من الفتح أو الإغلاق قبل أن يلتقطوا صورة أخرى.

وقال: “إنها عملية كثيفة العمالة، ولكن من الممكن أن نستخدم الروبوتات والذكاء الاصطناعي لتحويلها إلى عملية خط إنتاج”. “هناك الكثير من الإثارة في المجتمع العلمي حول كيفية تسريع الأبحاث البيولوجية باستخدام هذا النوع من الأدوات.”