植物传感器可充当农民早期预警系统

麻省理工学院与新加坡麻省理工研究与技术联盟（SMART）的研究团队开发出一种基于碳纳米管的传感器系统，能够实时探测植物在应对各种应激源时释放的信号。该系统可为农业提供早期预警功能。

研究人员利用这一系统检测了两种关键信号分子——过氧化氢和水杨酸，它们在植物的应激反应中起着重要作用。实验显示，植物在面对不同类型的应激（如高温、强光或病原体入侵）时，会在不同时间点释放这些分子，形成可识别的模式。

传感器由聚合物包裹的碳纳米管构成，其结构可调整以识别特定分子。当目标分子存在时，传感器会发出荧光信号。研究团队开发了两种传感器：一种用于检测过氧化氢，另一种用于检测水杨酸。

为了将这些纳米传感器植入植物体内，研究人员将其溶解于溶液中，并涂抹于叶片背面。传感器通过气孔进入叶片，并定位于间叶膜——即光合作用发生的区域。一旦被激活，传感器信号可通过红外摄像头轻松捕捉。

在这项研究中，研究人员将这两种传感器应用于小白菜，并模拟了四种应激源——高温、强光、昆虫叮咬和细菌感染。结果表明，每种应激源都会引发不同类型的分子响应。

过氧化氢的浓度在数分钟内迅速上升，随后在一小时内恢复。而水杨酸的反应则延迟出现，并在应激后两小时内达到高峰。值得注意的是，昆虫叮咬并未触发水杨酸的产生，说明其应激机制与物理或病原性刺激不同。

麻省理工学院化学工程教授Michael Strano表示，这些分子信号构成了植物内部的“语言”，用于协调应激反应并增强生存能力。例如，在昆虫攻击时，植物会释放昆虫不喜欢的化学物质；而在热胁迫或强光条件下，水杨酸和过氧化氢会激活特定通路，以促进保护性蛋白质的生成。

与传统基于荧光蛋白的传感器不同，该系统几乎适用于所有植物类型，无需依赖特定物种的基因工程改造。这一优势使得其在农业应用中具有广泛前景。

目前，研究团队正致力于开发“哨兵植物”——即具备长期监测能力的植物，能够在应激发生初期向农民发出信号。例如，在水分不足的情况下，植物可能在叶片变褐前就已发出预警，从而为干预争取宝贵时间。

“随着全球气候变化和人口增长，农业面临的挑战日益严峻。我们需要更深入地理解植物如何应对压力，并开发具有更高耐受性的作物。”Strano强调。

该技术不仅能检测植物的应激状态，还可与自动化系统联动，实现智能调节。例如，当传感器检测到热胁迫信号时，温室可自动调整温度或光照条件。

研究团队还计划开发更多传感器，以探测其他类型的植物信号分子，从而更全面地解析植物在复杂环境中的反应机制。

相关研究成果发表于《自然通讯》（Nature Communications）期刊，由Mervin Chun-Yi Ang等人共同完成。研究论文标题为《利用纳米传感器复用解码活体植物早期应力信号波》。文章DOI编号：10.1038/s41467-024-47082-1。

本报道由麻省理工学院新闻（web.mit.edu/newsoffice/）提供，该平台专注于报道麻省理工学院的科研进展与教学创新。

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