A compact and portable system for simultaneous CO₂ and O₂ measurements of leaf respiratory quotient

Planten moeten, net als alle levende wezens, ademen om te overleven. Hoewel ze beroemd zijn om het opnemen van koolstofdioxide en het afgeven van zuurstof tijdens de dag om hun groei te voeden, voeren ze 's nachts ook een stiller, omgekeerd proces uit. In het donker verbruiken bladeren zuurstof en geven ze koolstofdioxide af, een proces dat bekend staat als respiratie (celademhaling). Deze nachtelijke ademhaling is niet slechts een passieve verspilling van energie; het is een complexe metabole motor die wetenschappers precies vertelt welke brandstof de plant verbrandt. De verhouding tussen de koolstofdioxide die een plant afgeeft en de zuurstof die hij verbruikt, wordt de respiratoire quotient genoemd. Als een plant pure suiker verbrandt, ligt deze verhouding netjes op één. Echter, als de plant vetten, eiwitten of andere complexe moleculen verbrandt, of als de interne chemie verandert om met stress om te gaan, verandert dat getal. Door deze verhouding te meten, kunnen onderzoekers in de metabole keuken van de plant kijken om te zien welke ingrediënten worden gebruikt en hoe de plant zich aanpast aan zijn omgeving.

Decennialang was het meten van deze verhouding een lastig proces. Wetenschappers hebben doorgaans de koolstofdioxide die uit een blad komt en de zuurstof die erin gaat gemeten met twee volledig aparte machines, vaak op verschillende tijdstippen of op verschillende bladeren. Deze aanpak is als proberen de snelheid van een auto te beoordelen door de tijd te meten op twee verschillende banen met twee verschillende stopwatches; zelfs kleine verschillen in de apparatuur of de omstandigheden kunnen de uiteindelijke berekening verstoren. Het resultaat is vaak een verwarrend beeld waarbij de cijfers niet helemaal kloppen, wat soms suggereert dat de plant op een manier ademt die de basisbiologie tart. Om dit op te lossen, besloot een team van onderzoekers van universiteiten uit Chili, Spanje en de Balearen een eenvoudigere, preciezere manier te ontwikkelen om de plantademhaling te observeren.

De onderzoekers bouwden een compact, draagbaar apparaat dat in een kleine, luchtdichte metalen kamer past. In deze kamer plaatsten ze een klein bladschijfje en verzegelden ze dit. Het systeem maakt gebruik van twee gespecialiseerde sensoren die zij aan zij werken: één om de stijgende niveaus van koolstofdioxide te volgen en een andere om de dalende niveaus van zuurstof te monitoren. Omdat beide sensoren op exact hetzelfde moment naar hetzelfde blad kijken binnen dezelfde afgesloten ruimte, leggen ze een perfecte, gelijktijdige opname vast van de ademhaling van de plant. Deze nieuwe opstelling is goedkoop en draagbaar, waardoor wetenschappers het vanuit de gecontroleerde omgeving van een groeikamer mee kunnen nemen naar het veld om echte gewassen en wilde planten onder natuurlijke omstandigheden te bestuderen.

Het team testte dit nieuwe systeem op drie verschillende soorten planten: quinoa, sorghum en tarwe, terwijl ze deze in een gecontroleerde laboratoriumsetting lieten groeien. Ze namen het apparaat ook mee naar een wijngaard in Spanje om wijnranken te bestuderen onder zowel normale bewatering als droogteomstandigheden. In elk geval vergeleken ze de nieuwe gelijktijdige metingen met de traditionele methode, waarbij een standaard open-luchtmachine werd gebruikt om koolstofdioxide te meten en de nieuwe sensor om zuurstof te meten, apart van elkaar. De resultaten waren opmerkelijk. De traditionele methode liet consequent zien dat de bladeren veel meer koolstofdioxide afgaven dan het nieuwe systeem detecteerde. Sterker nog, de oude methode suggereerde vaak dat de planten zoveel koolstofdioxide afgaven dat de verhouding van de gassen groter was dan één, wat impliceerde dat de planten sterk geoxideerde brandstoffen zoals organische zuren verbrandden.

De gelijktijdige metingen vertelden echter een ander verhaal. Wanneer de koolstofdioxide en de zuurstof samen werden gemeten in de afgesloten kamer, lag de verhouding van de gassen bijna altijd dicht bij of iets onder de één. Dit komt veel beter overeen met wat wetenschappers verwachten te zien wanneer planten standaard suikers en andere veelvoorkomende brandstoffen verbranden. De onderzoekers realiseerden zich dat het verschil geen mysterie van de plantbiologie was, maar een fout in de meettechniek. De traditionele open-luchtmachines hebben een rubberen afdichting, of gasket, die tegen het blad drukt om het op zijn plaats te houden. Het team ontdekte dat het bladweefsel dat onder deze afdichting gevangen zit, doorgaat met ademen, maar dat de geproduceerde koolstofdioxide zijdelings onder de afdichting door lekt en in de sensor van de machine wordt gezogen. Dit extra, ongewenste gas zorgde ervoor dat de machine dacht dat het blad veel harder ademde dan het in werkelijkheid deed.

Om dit te bewijzen, pasten de onderzoekers een wiskundige correctie toe op hun oude gegevens, waarbij rekening werd gehouden met het extra gas dat uit het gebied onder de afdichting kwam. Zodra zij dit deden, kwamen de cijfers van de traditionele machine eindelijk overeen met de cijfers van het nieuwe, gelijktijdige systeem. De twee methoden, die voorheen verschillende verhalen leken te vertellen, beschreven in feite dezelfde realiteit, mits de meetfout werd gecorrigeerd. Het nieuwe draagbare systeem, door het hele bladschijfje te omsluiten en beide gassen tegelijkertijd te meten, vermijdt dit lekprobleem van nature volledig.

Deze ontdekking verandert de manier waarop wetenschappers de plantrespiratie kunnen bestuderen. Het laat zien dat veel eerdere studies de hoeveelheid koolstofdioxide die planten afgeven mogelijk hebben overschat, wat heeft geleid tot onjuiste conclusies over welke brandstoffen zij gebruiken. Het nieuwe apparaat biedt een robuuste, toegankelijke manier om het juiste antwoord te krijgen, en onthult dat planten vaak een respiratoire balans behouden die dichter bij de eenheid ligt dan voorheen gedacht. Door de technische ruis van lekkende afdichtingen en mismatched metingen te verwijderen, stelt dit eenvoudige, draagbare instrument onderzoekers in staat om de ware metabole staat van planten te zien, of ze nu groeien in een lab of worstelen met droogte in een wijngaard. Het blijkt dat je, om te begrijpen hoe een plant ademt, simpelweg moet luisteren zonder dat buitenlucht ermee in de weg zit.