来源：Optica；电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 谢思琪 编译

    龙舌兰植物因其在龙舌兰酒生产中的作用而广为人知，但它们在极其干燥的环境中保持水分的能力同样令人惊叹。在一项新研究中，研究人员利用太赫兹光谱学和成像技术，深入探究了这些多肉植物如何储存和管理水分以在干旱条件下生存。

    “了解植物如何适应干燥环境，可能会带来更好的农业实践，并用于培育需水量更少的作物，”墨西哥光学研究中心（the Centro de Investigaciones en Optica (CIO) in Mexico）的莫妮卡•奥尔蒂斯-马丁内斯（Monica Ortiz-Martinez）表示。“这可能会在降低用水量的情况下提高作物产量，从而造福农民、粮食生产和全球粮食安全。”

    这项新研究利用了介于微波和中红外区域的太赫兹波。由于水对太赫兹辐射有强烈的吸收作用，研究人员利用太赫兹光谱学和成像技术来测量植物组织中的水分含量，绘制植物内部的水分分布图，并研究其果聚糖在分子水平上如何保持水分。

    在Applied Optics期刊上，研究人员展示了太赫兹光谱学的优势，其可用于研究植物而不对其造成任何损害。通过这种方法，他们发现龙舌兰植物通过在特殊的叶片结构中储存水分，以在干燥环境中生存，其果聚糖则像分子海绵一样保持水分。

    “在食品工业中，我们对龙舌兰果聚糖及其卓越的吸水性能的发现，可用于开发新的食品成分，以改善水分保持性、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、光学研究中心的恩里克•卡斯特罗-卡穆斯（Enrique Castro-Camus）表示。“这可能会带来更健康、更持久的食品，减少人工防腐剂的使用。”

    生物学与食品科学的结合

    龙舌兰的研究始于墨西哥光学研究中心的应用太赫兹科学小组（the Applied Terahertz Science group at CIO）与高级研究发展中心（Centro de Investigaciones Avanzadas (CINVESTAV)）的琼•辛普森（June Simpson）之间的合作，旨在从生物学角度探索龙舌兰叶片中的水分分布及其与果聚糖的关系。

    大约在同一时间，光学研究中心小组开始与哈利斯科州技术与设计研究中心（Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco (CIATEJ)）的索科罗•比利亚努埃瓦（Socorro Villanueva）合作，从食品科学的角度出发，研究作为食品添加剂的果聚糖如何形成微观水分层，以保护冷冻产品免受冻害。

    最终，这两项研究结合在一起，揭示了龙舌兰如何耐受极端干旱。

    对于太赫兹成像，研究人员使用了具有飞秒光纤激光器和亚毫米像素分辨率的时域太赫兹光谱仪。他们将薄叶片切片放置在太赫兹发射器和检测器之间，然后利用水分吸收测量来绘制水分含量图。他们将同一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。

    “我们的研究在利用太赫兹技术研究植物水分方面引入了几项关键创新，”莫妮卡•奥尔蒂斯-马丁内斯说。

    “最重要的进步之一是非侵入性水分检测——与传统方法不同，传统方法需要切割、干燥和称量植物样本，太赫兹成像能够在不破坏植物的情况下进行实时水分分析。”

    分析显示，龙舌兰叶片具有专门的水分储存系统，叶片的内核保持高度水合，而外层则作为保护屏障减少水分流失。研究人员还发现，果聚糖具有非凡的能力，能够吸引并保持周围水分，比其他糖类更强。这是因为果聚糖的分支化学结构形成了一种多孔海绵，可以在高温下保持水分，使植物保持水合。

    在组织水平上的水分储存和分子水平上的水分保持相结合，使龙舌兰具有高度的抗旱性，能够在水资源稀缺的干旱环境中茁壮成长。

    扩展技术

    接下来，研究人员计划将太赫兹光谱学和成像技术的应用范围扩大到研究更多植物物种的抗旱性。他们希望研究不同植物在组织和分子水平上如何管理水分，特别是对全球粮食安全至关重要的作物。

    研究人员表示，随着进一步的发展，目前针对实验室使用的设备可以被制成便携式且成本效益高的太赫兹系统，用于在田间或温室中进行监测。将其与先进的机器学习算法结合，可以更高效地分析太赫兹图像，从而实现对水分模式和干旱胁迫指标的实时检测。

    研究人员强调，要取得具有社会和经济意义的研究成果，需要强大的跨学科合作，光学、植物生理学和食品科学专家之间的紧密合作是关键。

    “通过推进非侵入性植物监测方法，我们的研究为更智能、更可持续的农业实践奠定了基础，最终将造福农民和消费者，同时有助于为后代保护自然资源，”卡斯特罗-卡穆斯说。

    更多信息参见原文：Enrique Castro-Camus et al, Terahertz spectroscopy and imaging as a tool to unlock physiological and molecular mechanisms for drought resistance of agaves, Applied Optics (2025). DOI: 10.1364/AO.547952