高速图像揭示了雨滴如何在植物之间传播病原体

一个新的理论模型描述了叶子的柔韧性，流体的碎裂及其所导致的雨滴引起的扩散模式之间的关系。研究人员使用高速滴落在叶子上的雨滴图像，表明雨滴可以作为从一棵植物到另一棵植物的受污染小滴的分散剂。

历史天气记录表明，降雨可能会在整个植物种群中扩散铁锈和其他病原体，到目前为止，尚未探究这种现象的发生机理。视频：Melanie Gonick /麻省理工学院。高速图像：Tristen Gilet和Lydia Bourouiba

农民早就注意到暴雨与植物间疾病暴发之间的相关性。降雨后，被称为“锈”的真菌寄生虫会特别猖ramp，会吞噬小麦叶片，并可能使农作物收成枯竭。

虽然历史气象记录表明降雨可能会在整个植物种群中扩散锈和其他病原体，但到目前为止尚未探索其发生机理。

麻省理工学院和比利时列日大学的一个团队在《皇家社会接口杂志》上发表的论文中，展示了雨滴溅落在各种沾有污染液体的叶子上的高速图像。从高分辨率看，这些雨滴可以充当分散剂，在某些情况下，可以将受污染的飞沫弹射到远离其叶源的地方。

研究人员观察了分散的特征模式，发现分散的范围取决于植物的机械性能，特别是其顺应性或柔韧性。

麻省理工学院土木与环境工程学院Esther和Harold E. Edgerton职业发展助理教授Lydia Bourouiba说，了解植物的机械特性和疾病传播之间的关系可能有助于农民种植更多的抗病田。

该论文的资深作者布鲁伊巴（Bourouiba）表示：“我们可以开始思考如何巧妙地重塑多元文化，在这里，您可以在植物的各个生长阶段交替种植具有互补机械特性的植物。”“如果您看本地文化，多元文化是一个古老的概念，但这是一种科学地表明，通过在一个田地中交替种植植物，您可以机械自然地减少病原体在降雨期间的传播范围的一种方式。”

追踪爆发的流体动力学

列日大学的Bourouiba和Tristan Gilet在他们的论文中首先提出了一个广为接受的假设：病原体在薄膜上覆盖叶子。

该团队使用数十种常见的叶子进行了实验，包括常春藤，竹子，薄荷和香蕉叶。他们使用30种实际植物叶子和12种人工工程材料对每种类型的叶子进行了数百次实验。在最初的试验中，研究人员通过将水流过一个刺有小孔的容器来模拟降雨。容器被悬挂在空气中几米处，高度足以使液滴达到最终速度，即撞击时实际雨滴的­速度。

研究人员使用高速摄影机以每秒1,000帧的速度捕捉雨滴落在每片叶子上时的事件序列。从这些图像中，Bourouiba和Gilet指出，当水落下时，树叶无法支撑薄膜，而是在其表面形成水滴。研究小组得出结论，病原体必须以液滴而不是薄膜的形式停留在叶子的表面上。

“这最初看起来似乎是一个很小的差异，但是当您查看碎片的流体动力学以及受感染叶片周围的污染范围时，实际上，从[病原体]的发生机理来看，它改变了许多动力学。发出来，” Bourouiba说。

为了观察这种动态差异，研究小组首先在覆盖有薄膜的平坦表面上模拟了降雨。当液滴撞击该表面时，它会发射出冠状的薄膜物质喷雾，尽管大部分喷雾都停留在大致附近。相反，研究小组发现，溅到覆盖有水滴的树叶上的雨滴而不是薄膜，将雨滴散布到远处和整个地方。

从新月到弹射器

为了更详细地检查雨滴对表面液滴的影响，研究人员进行了另一轮实验，在实验中，他们用染色水点缀了叶子（病原体的替代品）。然后，他们创建了一个模拟一滴雨的装置，使用激光精心校准了雨滴将落在叶子上的何处。

从这些实验中，Bourouiba和Gilet观察到了两种主要的散布模式：新月形配置，其中，雨滴在撞击后变平，在染色液滴的下方滑动并以弧形发射，类似于新月形。和惯性分离，在这种情况下，雨滴实际上不会接触染色的液滴，而是将叶子推下，导致染色的液滴向下滑动，然后弹射出去-这是叶子弹回时惯性的结果。

Bourouiba和Gilet捕获了数百种雨滴对各种叶片类型的影响后，意识到液滴是采用月牙形结构还是惯性脱离结构主要取决于一种特性：叶片的柔顺性或柔韧性。他们发现，一般而言，叶子越厚，发射宽弧或新月形液体的效果就越差。但是，在一定的柔韧性下，新月形图案变成了惯性脱离之一，其中以比新月形月亮所能产生的液滴大的液滴形式的流体从叶子上进一步飘落。

根据他们的观察，研究人员开发了一种理论模型，该模型定量地捕获了叶片的柔韧性，流体的碎裂及其所引起的雨滴引起的扩散模式之间的关系。Bourouiba说，该模型最终可以帮助农民设计轮作作物的田地。传统上，混养实践依靠通过交替种植对病原体具有不同抗性的植物来减少疾病的传播，但布鲁伊巴说，植物的内在机械特性（而非生物免疫学）本身可以帮助遏制疾病的传播。

“如果以最佳方式做到这一点，理想情况下，您可以将传播范围完全削减到仅一处相邻的工厂，并且它将在那里死亡，” Bourouiba说。“一棵植物可以起到防护作用，并被污染，但其机械性能不足以将病原体投射到下一个植物上。”因此，您可以开始降低一种物种传播的功效，同时仍然有效地利用农业空间。

位于康涅狄格州纽黑文的康涅狄格州农业实验站的植物病理学和生态学的名誉科学家Don Aylor表示，Bourouiba的研究结果可能对减少小型植物种群的病害特别有用。

对这项研究没有帮助的艾洛尔说：“这可以帮助确定通常种植在附近的小植物（如草莓）的分离距离。”“农民还必须考虑喷溅对此类农作物中经常使用的塑料覆盖物的影响。总而言之，这是一项不错的研究，并介绍了一些肯定值得跟进的发现。”

出版物：Tristan Gilet和Lydia Bourouiba，“雨水引起的叶片病原体喷射：使用高速可视化重新审视电影飞溅的假说，” Integr。比较生物学(2014) 54 (6): 974-984；土井：10.1093 / icb / icu116

图像：特里斯坦·吉列（Tristan Gilet）和莉迪亚·布鲁瓦（Lydia Bourouiba）