龙舌兰植物是制作龙舌兰酒的原料，也是蓄水专家，能在极端干旱的条件下茁壮成长。利用太赫兹光谱，研究人员发现了龙舌兰如何在特殊的叶子结构中蓄水，并利用果聚糖作为分子海绵。

这一突破有着激动人心的意义，从培育节水作物到创造更好的食品防腐剂。该研究的非侵入性成像方法可以对植物水分进行实时分析，为智慧农业提供了新的可能性。

揭开龙舌兰储水之谜

龙舌兰植物因在特基拉酒生产中扮演重要角色而广为人知，但它们还具有高效的储水能力，使它们能在极度干燥的环境中茁壮成长。在最近的一项研究中，研究人员利用太赫兹光谱和成像技术，更好地了解了这些多肉植物是如何管理水分从而在干旱条件下生存的。

墨西哥光学研究中心（CIO）的莫妮卡·奥尔蒂斯·马丁内斯表示：“了解植物如何适应干旱条件，可以帮助我们改良耕作方式，研发出耗水量更少的作物。”“这样可以在减少耗水量的同时提高作物产量，使农民、粮食生产和全球粮食安全从中受益。”

太赫兹波：观察水分的新视角

本研究聚焦于太赫兹波，其位于微波与电磁波谱的中红外区域之间。由于水会强烈吸收太赫兹辐射，研究人员利用太赫兹光谱和成像技术来测量植物组织的水合水平，绘制植物内部的水分分布图，并研究果聚糖如何在分子层面保持水分。

在Optica出版集团旗下的《应用光学》期刊上，研究人员表明，太赫兹光谱是研究植物且不会对其造成任何损害的有力工具。他们采用此方法发现，龙舌兰植物通过在特殊的叶子结构中储存水分得以在干燥环境中存活，并且其果聚糖能够像分子海绵一样保持水分。

“在食品工业中，我们关于龙舌兰果聚糖及其独特保水特性的发现可用于开发新的食品配料，从而改善食品的保水性、质地和保质期，特别是在干燥食品或加工食品中，”该论文第一作者、CIO的恩里克·卡斯特罗-卡穆斯表示。“这有可能生产出保质期更长、更健康、人工防腐剂更少的食品。”

结合生物学与食品科学

龙舌兰研究始于CIO的应用太赫兹科学小组与高级研究中心（CINVESTAV）的琼·辛普森（June Simpson）之间的合作，双方从生物学的角度探索了龙舌兰叶中的水分分布及其与果聚糖的联系。大约在同一时期，CIO小组开始与哈利斯科州科技与设计研究援助中心（CIATEJ）的苏科罗·维兰纽瓦（Socorro Villanueva）合作，该研究采用更偏向于食品科学的方法来研究作为食品添加剂的果聚糖是如何形成微观水层，从而保护冷冻产品免受冷冻损伤的。最终，这两项研究结合到了一起，共同揭示了龙舌兰是如何耐受极端干旱的。

对于太赫兹成像，研究人员使用了配备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。他们将薄叶切片置于太赫兹发射器和探测器之间，然后利用水分吸收测量来绘制水分含量图。他们重新配置了相同的时域太赫兹光谱仪，将其设置为衰减全反射几何结构，以分析含有果聚糖的溶液。

革新植物水分研究

莫妮卡·奥尔蒂斯-马丁内斯（Monica Ortiz-Martinez）说：“我们的研究在使用太赫兹技术研究植物水分方面提出了几项关键创新。其中最重要的进展之一是非侵入式水分检测——与传统需要切割、干燥和称重植物样品的方法不同，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。”

分析表明，龙舌兰叶拥有一种专门的水储存系统，叶片的内核部分保持高度水分，而外层则起到保护作用，减少水分流失。研究人员还发现，果聚糖具有吸引和保持周围水分子的卓越能力，远强于其他糖类。这是因为果聚糖的分支化学结构形成了一种多孔海绵，能够保留水分，使植物在高温下也能保持水分。

组织层面的水分储存与分子层面的水分保持相结合，使龙舌兰具有极高的抗旱性，能够在水分稀缺的干旱环境中茁壮成长。

技术扩展

接下来，研究人员计划扩大太赫兹光谱学和成像技术的使用范围，以研究更多植物种类的抗旱性。他们想要研究不同植物如何在组织和分子层面管理水分，尤其是那些对全球粮食安全至关重要的作物。

研究人员表示，随着进一步发展，目前专为实验室使用而优化的该装置可改进为便携式且经济实惠的太赫兹系统，用于野外或温室监测。将其与先进的机器学习算法相结合，以更有效地分析太赫兹图像，从而可以实现对水分状况和干旱胁迫指标的实时监测。

研究人员强调，要想取得具有重大社会和经济意义的研究成果，就必须加强跨学科合作，而光学、植物生理学和食品科学专家之间的紧密合作正是本研究的关键所在。

卡斯特罗-卡穆斯表示：“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，同时有助于为子孙后代保护自然资源。”

参考文献：《太赫兹光谱和成像：解锁龙舌兰耐旱生理和分子机制的工具》，作者：阿雷利·V·佩雷斯-洛佩斯、琼·辛普森、莫妮卡·奥蒂兹-马丁内斯、何塞·安东尼奥·莫拉莱斯-埃尔南德斯、索科罗·J·比拉纽瓦-罗德里格斯、恩里克·卡斯特罗-卡穆斯和阿比谢克·K·辛格，发表于2025年3月5日，《应用光学》。DOI：10.1364/AO.547952