植物传感器可用于作物健康预警

研究人员利用碳纳米管技术开发出一种新型植物传感器系统，能够探测植物在不同环境压力下产生的内部化学信号。这项由麻省理工学院及新加坡MIT联盟（SMART）主导的研究，为农业监测提供了一种实时、精准的作物应激检测方式。

该技术通过检测两种关键信号分子——过氧化氢与水杨酸——揭示植物在遭遇昆虫侵害、细菌感染、强光照射或高温胁迫时的内部反应机制。研究人员发现，植物在不同类型的应激下，会以特定时间序列表达这两种分子，从而形成一种“化学指纹”。这种独特的分子波动可作为植物健康状况的早期预警。

“结合两个传感器的读数，农民或农业管理者可以清楚地判断植物正在经历哪一种胁迫，并在损害扩大之前采取应对措施。”麻省理工学院化学工程教授Michael Strano表示。他是该研究的高级作者之一。

研究团队指出，传感器的结构基于包裹在功能化聚合物中的碳纳米管。这种设计使其能够被定制化以识别特定分子，并在目标分子出现时发出可检测的荧光信号。此次新开发的传感器被专门用于水杨酸的识别，这种分子在植物的生长调控、防御机制及胁迫响应中起着核心作用。

为了将传感器嵌入植物体内，研究团队将纳米传感器溶液喷涂在叶片背面。传感器通过气孔进入叶片，最终定位于叶肉层——植物光合作用的主要场所。一旦激活，传感器的信号可通过红外成像设备进行非侵入式读取。

在实验中，研究人员将传感器系统应用于白菜（Brassica rapa），并对植物施加四种不同类型的胁迫：高温、强光、昆虫叮咬及细菌感染。结果显示，过氧化氢在所有胁迫下均迅速上升并在一小时内达到峰值，而水杨酸则在热、光或细菌胁迫下出现滞后响应，且昆虫叮咬并未诱导水杨酸的生成。

“这些反应模式揭示了植物内部一种独特的‘语言’，它们利用化学信号在胁迫发生后迅速调整自身状态，以增强生存能力。”Strano解释道。

与传统基于荧光蛋白的传感器不同，这种新型传感器无需对植物进行基因改造，因此适用于广泛的作物种类。这使得其在农业监测中的应用更具普适性。

未来，研究人员计划将这些传感器集成到“哨兵植物”中，使其成为农作物健康状况的实时监控节点。例如，当植物因缺水而出现叶片褐化前，系统即可发出预警，为农民争取干预时间。

“随着全球气候变化与人口增长带来的农业挑战日益加剧，我们迫切需要了解植物如何适应各种环境压力，并培育出更具韧性的作物。”Strano补充道。

瑞典林雪平大学的生物工程副教授埃莱尼·斯塔夫里尼杜评价称，这项研究揭示了水杨酸和过氧化氢在植物胁迫响应中的关键作用，有助于深入理解植物内部的信号通路。

该技术不仅可用于监测植物健康状态，还可扩展至自动化农业系统，例如根据传感器信号调整温室的温度、光照强度等环境参数。

研究团队同时在开发针对其他植物信号分子的传感器，以期更全面地解析植物对胁迫及其他刺激的响应机制。

更多信息请参见：Mervin Chun-Yi Ang 等，《利用纳米传感器复用解码活体植物早期应力信号波》，Nature Communications（2024年）。DOI：10.1038/s41467-024-47082-1

期刊信息：自然通讯

由麻省理工学院提供。

本报道由麻省理工学院新闻（web.mit.edu/newsoffice/）转载，该网站报道麻省理工研究、创新和教学相关新闻。

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