麻省理工设计纳米传感器,为植物受到外界压力时报警

发布者:bpadmin
发布时间:2020-04-26 07:25
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麻省理工学院已经开发出一种方法,利用碳纳米管制成的传感器,密切跟踪植物对伤害、感染和光损害等压力的反应。这些传感器可以嵌入到植物叶片中,可以报告过氧化氢信号波。当植物受到压力时,纳米传感器会向智能手机发出警报。




植物利用过氧化氢在叶片内进行交流,发出求救信号,刺激叶片细胞产生化合物,帮助它们修复损伤或抵御昆虫等。纳米传感器可以使用这些过氧化氢信号来区分不同类型的压力,以及不同种类的植物。

麻省理工学院(MIT)化学工程教授迈克尔·斯特拉诺(Michael Strano)说:“植物有一种非常复杂的内部交流形式,我们现在可以第一次观察到这一点。这意味着我们可以实时看到植物的反应,传达它正在经历的特定类型的压力。”

这种传感器可以用来研究植物如何应对不同类型的压力,有可能帮助农业科学家开发新的策略来提高作物产量。研究人员在8种不同的植物上展示了他们的方法,包括菠菜、草莓和芝麻菜,他们相信这种方法可以在更多的植物中发挥作用。

斯特拉诺是这项研究的通讯作者,该研究发表在《Nature Plants》杂志上。麻省理工学院研究生泰德里克·托马斯·萨利姆·卢(Tedrick Thomas Salim Lew)是这篇论文的第一作者。


嵌入式传感器

在过去的几年里,斯特拉诺的实验室一直在探索设计“纳米离子植物”的潜力,含有纳米材料的植物,可以赋予植物新的功能,比如发光或检测缺水。在这项新的研究中,他着手加入传感器,这些传感器将报告植物的健康状况。

斯特拉诺之前开发了碳纳米管传感器,可以检测包括过氧化氢在内的各种分子。大约三年前,泰德里克·托马斯·萨利姆·卢开始尝试将这些传感器集成到植物叶片中。对拟南芥(通常用于植物分子研究)的研究表明,植物可能使用过氧化氢作为信号分子,但其确切作用尚不清楚。

卢使用一种名为脂质交换包膜渗透(LEEP)的方法将传感器整合到植物叶片中。斯特拉诺的实验室几年前开发的LEEP允许设计能够穿透植物细胞膜的纳米颗粒。当卢试着碳纳米管传感器嵌入叶片时,他有了一个偶然的发现。“我正在训练自己熟悉这项技术,在训练的过程中,我不小心把植物弄伤了。然后我看到了过氧化氢信号的演变,“他说。

他看到,树叶受伤后,过氧化氢从伤口处释放出来,并产生一个波,沿着树叶传播,类似于神经元在我们大脑中传递电脉冲的方式。当植物细胞释放过氧化氢时,它会触发相邻细胞内的钙释放,从而刺激这些细胞释放更多的过氧化氢。

斯特拉诺说:“就像多米诺骨牌接连倒下一样,这会产生一个比过氧化氢喷雾传播得更远的波,由接收和传播它的细胞提供能量。”

过氧化氢的泛滥刺激植物细胞产生称为次生代谢物的分子,如类黄酮或类胡萝卜素,帮助它们修复损伤。一些植物还会产生其他次生代谢物,可以抵御捕食者。这些代谢物通常是我们食用植物中我们想要的食物风味的来源,但它们只有在压力刺激下才会产生。

这项新的传感技术的一个关键优势是它可以用于许多不同的植物物种。传统上,植物生物学家在某些可以进行基因操作的植物上做了大量的分子生物学研究,包括拟南芥和烟草。然而,麻省理工的新方法可能适用于任何植物。

斯特拉诺说:“在这项研究中,我们能够快速比较8种植物,而用旧的工具是无法做到这一点的。”

研究人员测试了草莓、菠菜、芝麻菜、生菜、西洋菜和酸模,发现不同的物种似乎会产生不同的波形。这是通过绘制过氧化氢浓度随时间变化而产生的独特形状,假设每种植物的反应与其抵消损害的能力有关。每个物种似乎对不同类型的压力有不同的反应,包括物理损伤、感染和热/光损伤。

斯特拉诺说:“这个波形包含了每个物种的大量信息,更令人兴奋的是,特定植物的压力类型在波形中体现,所以从此可看到植物在几乎任何新环境中所经历的实时反应。”


应激反应

传感器产生的近红外荧光可以通过连接到树莓Pi的小型红外相机进行成像。树莓Pi是价值35美元的基于Linux的单片机电脑,类似于智能手机内的电脑,非常便宜的仪器来捕捉信号。

除了可了解它们抵抗物理损伤、光、热和其他形式压力的能力,还可以用来研究不同的物种如何对病原体做出反应,比如导致柑橘青绿病的细菌和导致咖啡锈的真菌。让斯特拉诺感兴趣的是了解为什么某些类型的植物对病原体表现出一定的免疫力,而其他类型的植物则没有。

这种新技术也可用以研究植物如何应对城市垂直农场的不同生长条件。他们希望解决的一个问题是遮荫,存在于许多种类的植物中。当它们以高密度生长时就会出现这种情况,因此植物会开启一种压力反应,并将它们的能量资源用在长高上,而不是投入植被生长上。这会降低农作物的总产量,所以农业研究人员对此感兴趣,希望通过研究可以关闭这种反应。

斯特拉诺说:“我们的传感器使我们能够截获压力信号,并准确地了解植物上下游发生的导致遮荫避免的条件和机制。”

斯特拉诺及麻省理工学院在新加坡的同事(麻省理工学院在新加坡的研究企业 ),也有兴趣研究植物如何应对城市垂直农场的不同生长条件。他们希望解决的一个问题是遮荫,这在许多种类的植物中都存在,当它们以高密度生长时就会出现这种情况。这类植物开启了一种压力反应,将它们的资源转移到长高上,而不是把能量投入到生产作物上。这降低了农作物的总产量,所以农业研究人员对工程植物感兴趣,这样就不会启动这种反应。

斯特拉诺说:“我们的传感器可以让我们截获压力信号,并准确地了解植物上下游发生的条件和机制,这些条件和机制会导致遮荫。”

这项研究由新加坡国家研究基金会、新加坡科学、技术和研究局(A*STAR)和美国能源部计算科学研究生奖学金计划资助。 


Tedrick Thomas Salim Lew et al. Real-time detection of wound-induced H2O2 signalling waves in plants with optical nanosensors, Nature Plants (2020). DOI: 10.1038/s41477-020-0632-4 , https://www.nature.com/articles/s41477-020-0632-4


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