科学家表示，他们的“气孔洞察”工具可以观察植物的“呼吸”，这可以用于生物工程改造需水量更少的作物，从而使它们更有可能抵御气候变化。
图为玉米开放气孔的代表性16位共聚焦显微镜图像 。 （图片来源：植物生理学，第199卷，第4期，2025年12月，kiaf600，https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf600）
科学家们研发出一种可以实时监测植物呼吸的新工具。研究人员表示，这项新技术有助于识别使作物更能适应全球气候变化的遗传特征。
人类的食物系统依赖于植物叶片上的微小气孔。这些被称为气孔（源自希腊语，意为“嘴”）的微小气孔调节着植物吸收二氧化碳的量以及释放氧气和水蒸气的量。
“更好地了解气孔对我们来说非常重要，”该研究的合著者、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的植物生物学家安德鲁·利基告诉《生命科学》杂志。“我和许多其他人正在寻找利用育种或生物技术来改变气孔功能的方法，以便生产出更好的作物，特别是需水量更少的作物。”
气孔周围有特化的细胞，它们会扩张和收缩来控制气孔的开闭。但科学家们仍然不清楚单个气孔究竟是如何调节植物物质进出的。
“尽管我们已经研究气孔很长时间了，而且我们对气孔也了解很多，但我们仍然很难将进出气孔的氧气、水和碳的数量与气孔的数量、大小以及它们的开放方式联系起来，”利基说。
为了更好地了解这一过程，研究人员开发了“气孔洞察”（Stomata In-Sight）工具，并在2025年11月17日发表于《植物生理学》（Plant Physiology ）杂志的一项研究中对其进行了描述。“气孔洞察”仪器结合了显微镜、气孔气体通量测量系统和机器学习图像分析技术。利基（Leakey）表示：“它通过测量二氧化碳和水的通量来反映成千上万个气孔的集体活动。”
利基解释说，使用“气孔洞察”（Stomata In-Sight）技术时，需要将小块叶片放入一个大小与人手掌相仿的温控舱内，该舱与气体交换系统相连。研究人员可以改变舱内的条件，观察气孔对温度、水分和其他参数变化的响应。显微镜放置在舱外，从内部观察，机器学习分析系统则通过显微镜图像识别气孔，从而加快分析速度。
该团队花了数年时间才开发出这款新工具。一个主要问题是，微小的振动——例如气体交换系统中风扇的振动——会导致图像模糊。“实际上，我们花了大约五年时间才最终确定解决方案，期间我们大概做了三个原型，但都失败了。”利基说道。
该团队已利用该系统研究了玉米（Zea mays）和其他作物的气孔。他们还利用对气孔的深入了解，对高粱（Sorghum bicolor，一种用于收获谷物的植物）进行了基因改造，使其用水量更少。他们识别出了控制高粱叶片气孔密度的基因，并培育出了气孔分布更分散的植株。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校已为该技术申请了专利，虽然目前尚未商业化，但利基希望会有公司有兴趣为其他研究小组生产该仪器。
然而，并非所有科学家都对此深信不疑。英国布里斯托尔大学植物学荣誉教授阿利斯泰尔·赫瑟林顿怀疑，这种新工具能否彻底改变气孔的研究。
“一百多年来，我们一直能够利用传统显微镜测量气孔开度的变化；共聚焦显微镜的使用时间可能已有25年；而所谓的气体交换技术也已有50年的历史，”他告诉Live Science。这项新研究将这些技术结合起来，但Hetherington补充说，研究人员可能仍会坚持使用“行之有效且经过验证的现有技术”。
尽管如此，利基仍在研究如何改进该工具以扩大其用途。目前的主要挑战是观察气孔“呼吸”非常耗时。“当你透过显微镜观察时，你平均只能在观察的一小片叶片上看到两到三个气孔，”他解释说，“但实际上你需要测量40到50个气孔才能考虑到其中的差异。”这项工作必须手动完成。
此外，气孔对环境变化的反应可能需要几分钟时间。这意味着科学家必须等待气孔完成开闭过程才能拍摄下一张图像。
他说：“这项工作非常耗费人力，但我们或许可以利用机器人和人工智能将其转化为流水线生产流程。科学界对如何利用这类工具加速生物学研究感到非常兴奋。”
科学家表示，他们的“气孔洞察”工具可以观察植物的“呼吸”，这可以用于生物工程改造需水量更少的作物，从而使它们更有可能抵御气候变化。
图为玉米开放气孔的代表性16位共聚焦显微镜图像 。 （图片来源：植物生理学，第199卷，第4期，2025年12月，kiaf600，https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf600）
科学家们研发出一种可以实时监测植物呼吸的新工具。研究人员表示，这项新技术有助于识别使作物更能适应全球气候变化的遗传特征。
人类的食物系统依赖于植物叶片上的微小气孔。这些被称为气孔（源自希腊语，意为“嘴”）的微小气孔调节着植物吸收二氧化碳的量以及释放氧气和水蒸气的量。
“更好地了解气孔对我们来说非常重要，”该研究的合著者、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的植物生物学家安德鲁·利基告诉《生命科学》杂志。“我和许多其他人正在寻找利用育种或生物技术来改变气孔功能的方法，以便生产出更好的作物，特别是需水量更少的作物。”
气孔周围有特化的细胞，它们会扩张和收缩来控制气孔的开闭。但科学家们仍然不清楚单个气孔究竟是如何调节植物物质进出的。
“尽管我们已经研究气孔很长时间了，而且我们对气孔也了解很多，但我们仍然很难将进出气孔的氧气、水和碳的数量与气孔的数量、大小以及它们的开放方式联系起来，”利基说。
为了更好地了解这一过程，研究人员开发了“气孔洞察”（Stomata In-Sight）工具，并在2025年11月17日发表于《植物生理学》（Plant Physiology ）杂志的一项研究中对其进行了描述。“气孔洞察”仪器结合了显微镜、气孔气体通量测量系统和机器学习图像分析技术。利基（Leakey）表示：“它通过测量二氧化碳和水的通量来反映成千上万个气孔的集体活动。”
利基解释说，使用“气孔洞察”（Stomata In-Sight）技术时，需要将小块叶片放入一个大小与人手掌相仿的温控舱内，该舱与气体交换系统相连。研究人员可以改变舱内的条件，观察气孔对温度、水分和其他参数变化的响应。显微镜放置在舱外，从内部观察，机器学习分析系统则通过显微镜图像识别气孔，从而加快分析速度。
该团队花了数年时间才开发出这款新工具。一个主要问题是，微小的振动——例如气体交换系统中风扇的振动——会导致图像模糊。“实际上，我们花了大约五年时间才最终确定解决方案，期间我们大概做了三个原型，但都失败了。”利基说道。
该团队已利用该系统研究了玉米（Zea mays）和其他作物的气孔。他们还利用对气孔的深入了解，对高粱（Sorghum bicolor，一种用于收获谷物的植物）进行了基因改造，使其用水量更少。他们识别出了控制高粱叶片气孔密度的基因，并培育出了气孔分布更分散的植株。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校已为该技术申请了专利，虽然目前尚未商业化，但利基希望会有公司有兴趣为其他研究小组生产该仪器。
然而，并非所有科学家都对此深信不疑。英国布里斯托尔大学植物学荣誉教授阿利斯泰尔·赫瑟林顿怀疑，这种新工具能否彻底改变气孔的研究。
“一百多年来，我们一直能够利用传统显微镜测量气孔开度的变化；共聚焦显微镜的使用时间可能已有25年；而所谓的气体交换技术也已有50年的历史，”他告诉Live Science。这项新研究将这些技术结合起来，但Hetherington补充说，研究人员可能仍会坚持使用“行之有效且经过验证的现有技术”。
尽管如此，利基仍在研究如何改进该工具以扩大其用途。目前的主要挑战是观察气孔“呼吸”非常耗时。“当你透过显微镜观察时，你平均只能在观察的一小片叶片上看到两到三个气孔，”他解释说，“但实际上你需要测量40到50个气孔才能考虑到其中的差异。”这项工作必须手动完成。
此外，气孔对环境变化的反应可能需要几分钟时间。这意味着科学家必须等待气孔完成开闭过程才能拍摄下一张图像。
他说：“这项工作非常耗费人力，但我们或许可以利用机器人和人工智能将其转化为流水线生产流程。科学界对如何利用这类工具加速生物学研究感到非常兴奋。”
