當植物受到壓力時 納米傳感器可以提醒智能手機

麻省理工學院的工程師們已經開發出一種方法，可以使用碳納米管制成的傳感器來密切跟蹤植物如何應對諸如傷害，感染和光害等脅迫。這些傳感器可以嵌入植物的葉子中，并在其中報告過氧化氫信號波。

植物利用過氧化氫在其葉片內部進行通訊，發出脅迫信號，刺激葉細胞產生化合物，從而幫助其修復損害或抵御諸如昆蟲的食肉動物。新的傳感器可以使用這些過氧化氫信號來區分不同類型的壓力以及不同種類的植物。

植物具有非常復雜的內部溝通形式，我們現在可以首次觀察到。這意味著我們可以實時地看到有生命的植物的反應，傳達其所承受的特定壓力類型，”麻省理工學院化學碳杜布斯教授Michael Strano說道。

這種傳感器可用于研究植物如何應對不同類型的脅迫，從而有可能幫助農業科學家制定提高作物產量的新策略。研究人員在菠菜，草莓植物和芝麻菜等八種不同的植物物種中證明了他們的方法，他們相信這種方法可以在更多的植物中起作用。

Strano是該研究的資深作者，該研究發表在《自然植物》中。麻省理工學院研究生Tedrick Thomas Salim Lew是該論文的主要作者。

嵌入式傳感器

在過去的幾年中，Strato的實驗室一直在探索工程化“納米植物”的潛力，這種植物采用了納米材料，能夠賦予植物新的功能，例如發光或檢測缺水。在這項新研究中，他著手采用可以報告植物健康狀況的傳感器。

Strano之前已經開發了碳納米管傳感器，可以檢測包括過氧化氫在內的各種分子。大約三年前，Lew開始嘗試將這些傳感器整合到植物葉片中。在研究 擬南芥，經常用于植物的分子研究，曾建議，植物可能使用過氧化氫作為一種信號分子，但其確切的作用還不清楚。

Lew使用一種稱為脂質交換包膜穿透(LEEP)的方法將傳感器整合到植物葉片中。Strano實驗室幾年前開發的LEEP允許設計可穿透植物細胞膜的納米顆粒。當Lew致力于嵌入碳納米管傳感器時，他偶然發現了一個發現。

“我正在訓練自己以熟悉該技術，在訓練過程中，我不小心在植物上造成了傷口。然后我看到了過氧化氫信號的這種演變，”他說。

他看到葉子受傷后，過氧化氫從傷口處釋放出來，并產生了一條沿葉子擴散的波，類似于神經元在我們的大腦中傳遞電脈沖的方式。當植物細胞釋放過氧化氫時，它會觸發相鄰細胞內的鈣釋放，從而刺激這些細胞釋放更多的過氧化氫。

Strano說：“就像多米諾骨牌不斷下降一樣，它形成的波傳播比單獨的過氧化氫泡芙傳播得多。” “波本身由接收和傳播它的細胞提供動力。”

大量的過氧化氫刺激植物細胞產生稱為次生代謝產物的分子，例如類黃酮或類胡蘿卜素，可幫助它們修復損害。一些植物還產生其他次生代謝產物，可以分泌這些代謝產物以抵御捕食者。這些代謝產物通常是我們在食用植物中所需要的食物風味的來源，并且它們僅在脅迫下產生。

新的傳感技術的關鍵優勢在于它可以用于許多不同的植物物種。傳統上，植物生物學家在某些適合遺傳操作的植物中進行了許多分子生物學研究，包括 擬南芥 和煙草植物。但是，新的MIT方法可適用于任何工廠。

“在這項研究中，我們能夠快速比較8種植物，而您將無法使用舊工具來做到這一點，” Strano說。

研究人員測試了草莓，菠菜，芝麻菜，生菜，豆瓣菜和漿草，發現不同的物種似乎產生不同的波形-通過繪制隨時間變化的過氧化氫濃度而產生的獨特形狀。他們假設每種植物的反應都與其抵抗損害的能力有關。每個物種對不同類型的壓力(包括機械傷害，感染以及熱或光損傷)的反應也不同。

Strano說：“該波形為每個物種保存了大量信息，更令人興奮的是，給定植物的脅迫類型已編碼在該波形中。” “您可以查看工廠在幾乎任何新環境中所經歷的實時響應。”

壓力反應

傳感器產生的近紅外熒光可以用連接到Raspberry Pi的小型紅外相機成像，Raspberry Pi是一臺信用卡大小的計算機，售價35美元，類似于智能手機內部的計算機。“非常便宜的儀器可以用來捕獲信號，” Strano說。

Strano說，這項技術的應用包括篩選不同種類的植物以抵抗機械損傷，光，熱和其他形式的脅迫。它也可以用來研究不同物種對病原體的反應，例如引起柑橘變綠的細菌和引起咖啡銹的真菌。

他說：“我感興趣的事情之一就是理解為什么某些類型的植物對這些病原體表現出一定的免疫力，而另一些則不。”

Strano及其同事是麻省理工學院在新加坡的研究企業，麻省理工學院-新加坡研究與技術聯盟(SMART)的“農業技術的破壞性和可持續技術跨學科研究小組”，也對研究植物如何應對不同的生長條件感興趣。城市農場。

他們希望解決的問題之一是避光，這是許多植物在高密度生長時所見的現象。這樣的植物會產生壓力反應，從而將其資源轉移到更高的地方，而不是將能量投入到生產農作物中。這降低了農作物的總體產量，因此農業研究人員對工程植物很感興趣，因此不要打開這種響應。

Strano說：“我們的傳感器使我們能夠截獲該應力信號，并準確了解工廠上游和下游發生的條件和機理，從而避免產生陰影。”