Wat als we konden zien hoe een plant seconde na seconde beslist hoeveel water hij verbruikt en hoeveel CO₂ hij opneemt om te groeien? Dat is het venster dat Stomata In-Sight opent, een nieuw apparaat ter grootte van een handpalm waarmee je live de microscopische ‘mondjes’ van bladeren kunt observeren terwijl de gasuitwisseling met de atmosfeer nauwkeurig wordt gemeten.
Het systeem is ontwikkeld door een team van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en wordt beschreven in een open access-studie in het tijdschrift Plant Physiology. Het instrument combineert een geavanceerde lasermicroscoop, sensoren voor gasuitwisseling en een kleine klimaatkamer om tegelijkertijd te volgen hoe de huidmondjes van maïs zich openen en sluiten en hoeveel CO₂ en waterdamp het blad binnenkomt en verlaat.
De ‘mondjes’ van de bladeren die gewassen verbinden met het klimaat
De bladeren van bijna alle landplanten zijn bedekt met minuscule poriën, stomatas genaamd, die als kleppen functioneren. Wanneer ze open zijn, laat de plant CO₂ binnen voor fotosynthese, maar verliest tegelijkertijd water in de vorm van damp. Wanneer ze gesloten zijn, bespaart de plant water, maar dit gaat ten koste van de groei.
In de praktijk hebben deze poriën invloed op twee zaken die ons allemaal aangaan. Enerzijds de opbrengst van gewassen zoals maïs of tarwe. Anderzijds de hoeveelheid water die van de bodem naar de lucht gaat, iets wat van invloed is op hittegolven, droogtes en hoe watervoerende lagen worden aangevuld. Een beter begrip van hoe ze werken is geen academisch detail, het is het aanraken van de biologische “kraan” van water in het midden van een klimaatcrisis.
Drie technologieën in een doos ter grootte van een hand
De technische uitdaging lag al decennia op tafel. Met klassieke methoden konden wetenschappers foto’s maken van de huidmondjes met een microscoop of de gasuitwisseling van het blad meten, maar niet beide tegelijk onder realistische omstandigheden. Vandaar de uitspraak van het team uit Illinois, die het probleem goed samenvat: “Traditioneel moesten we kiezen tussen het bekijken van de huidmondjes of het meten van hun functie”.
Stomata In-Sight combineert drie belangrijke onderdelen in één apparaat. Een confocale microscoop die hoge resolutiebeelden maakt van levende huidmondjes zonder dat het blad hoeft te worden doorgesneden. Een commercieel gasuitwisselingssysteem dat registreert hoeveel water de plant transpireert en hoeveel CO₂ hij gebruikt voor fotosynthese. En een klein compartiment waar het licht, de temperatuur, de vochtigheid en het CO₂-gehalte worden geregeld, alsof het een mini-klimaatkamer is.
Op die beelden wordt bovendien een kunstmatig visiemodel toegepast dat gebaseerd is op machine learning. De software herkent automatisch tientallen huidmondjes in elke opname en meet de oppervlakte en vorm van de poriën, evenals de grootte van de cellen eromheen, met een nauwkeurigheid die vergelijkbaar is met die van een menselijke waarnemer, maar dan veel sneller.
Wat ze hebben gezien in de tests met maïsbladeren
Om het systeem te testen, werkte het team met maïsbladeren. Ze plaatsten een klein stukje blad in de camera en onderwierpen het aan vijf stabiele omstandigheden die duisternis of intens licht combineerden met verschillende concentraties CO₂ in de omgeving, zowel lager als hoger. In elke toestand maten ze tegelijkertijd de stomatische geleiding, dat wil zeggen hoe gemakkelijk gassen kunnen passeren, en het openingsoppervlak van ongeveer veertig huidmondjes.
In het donker bleven bijna alle huidmondjes gesloten en was de conductantie vrijwel nul, vergelijkbaar met een adempauze. Bij intens licht nam de gemiddelde opening van de poriën duidelijk toe en verdubbelde de conductantie toen de CO₂ in de lucht rond het blad werd verlaagd, wat erop wijst dat de plant zijn “mondjes” meer opende om de benodigde koolstof op te nemen. Toen de CO₂-concentratie steeg, sloot ongeveer de helft van de huidmondjes zich en daalde de geleidbaarheid weer.
Het interessante is dat de schattingen van de geleidbaarheid, berekend op basis van het poriëngebied en de dichtheid van de huidmondjes, zeer goed overeenkwamen met de waarden gemeten door de gassensoren, en ongeveer 85 procent van de waargenomen variatie verklaarden. Met andere woorden, de tool slaagt erin microscopische beelden te vertalen naar getallen die het werkelijke gedrag van het blad beschrijven.
Waarom dit belangrijk is voor landbouw en water
Het meest ecologische deel van het verhaal komt daarna. Door precies te weten hoe de huidmondjes reageren op veranderingen in licht, warmte, droogte of CO₂, kan worden vastgesteld welke combinaties van grootte, aantal en vorm zorgen voor planten die goed groeien maar minder water verbruiken. Dat evenwicht staat bekend als waterefficiëntie en is een van de belangrijkste doelstellingen van de landbouw in een warmer en droger klimaat.
Voor een landbouwer betekent dit gewassen die beter bestand zijn tegen hittegolven, minder irrigatie nodig hebben en hun productie op peil houden wanneer water schaars is. Voor het klimaatsysteem betekent dit dat velden op een meer voorspelbare manier transpireren, wat belangrijk is wanneer elke druppel telt en de rekening voor water en de energie om het op te pompen de pan uit rijst. De auteurs wijzen erop dat instrumenten zoals Stomata In-Sight de ontwikkeling kunnen sturen van maïs-, sorghum- of suikerrietvariëteiten met “slimmer” huidmondjes die op het juiste moment openen en sluiten.
Een miniatuurlaboratorium met uitzicht op de toekomst
Op dit moment is het apparaat een laboratoriumprototype, geen machine die morgen in coöperaties of commerciële kassen zal verschijnen. De ontwikkeling heeft meerdere jaren werk, meerdere versies en een flinke dosis vallen en opstaan gekost om de microscoop en het gassysteem zonder storingen te laten werken in zo’n klein volume.
De volgende stap is om deze ‘superloep’ toe te passen op meer soorten en genetische verbeteringslijnen die al in ontwikkeling zijn, en om de machine learning-modellen te verfijnen om de onzekerheid nog verder te verminderen. Op middellange termijn wil het team een deel van het proces automatiseren met robotica en kunstmatige intelligentie, waardoor duizenden bladeren bijna routinematig kunnen worden geanalyseerd, wat de selectie van meer veerkrachtige gewassen versnelt.
Op een planeet waar water de factor is geworden die de oogsten het meest beperkt, is het in realtime kunnen zien hoe een plant zijn huidmondjes opent of sluit niet langer een laboratoriumcuriositeit, maar een strategisch instrument om voedsel, bodems en ecosystemen te beschermen.
