植物传感器可作为农民的预警系统

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，可用于识别植物在面对热、光或生物胁迫时释放的分子信号。

该传感器能够检测过氧化氢和水杨酸这两种关键信号分子。研究发现，不同胁迫条件下，植物在特定时间点生成这些分子，形成独特的时间模式，从而为农业管理提供早期预警。

研究人员指出，农民可以通过这类传感器监测作物状态，在损失发生前采取措施。

“将这两种传感器结合使用，能准确判断植物所承受的胁迫类型。通过观察化学信号的变化，可以识别出不同的胁迫指纹。”麻省理工学院化学工程教授、本研究的高级作者Michael Strano表示。

论文的其他高级作者包括新加坡淡马锡生命科学实验室的Sarojam Rajani。论文主要由SMART副科学主任Mervin Chun-Yi Ang及淡马锡生命科学实验室的研究员Jolly Madathiparambil Saju完成，并发表在《自然通讯》。

植物在面对不同的外界压力时，其内部反应机制也各不相同。2020年，Strano团队开发出一种能检测过氧化氢的传感器。当植物细胞遭遇昆虫啃食、细菌感染或强光照射时，会释放过氧化氢作为应激信号。

这种传感器由包裹在聚合物中的碳纳米管构成，可通过调整聚合物结构来检测特定分子。当目标分子存在时，传感器会发出荧光信号。在最新的研究中，团队开发出一种能检测水杨酸的传感器，该分子在调控植物生长与应激响应中起到重要作用。

为将传感器嵌入植物体内，研究人员将其溶解在溶液中，随后涂抹于叶片背面。传感器可通过气孔进入叶片，并定居于叶肉细胞层，这一区域是光合作用的主要场所。当传感器被激活时，其信号可通过红外摄像头检测。

传感器的布置包括一个检测过氧化氢的传感器和一个检测水杨酸的传感器。昆虫叮咬会引发过氧化氢的快速上升，而水杨酸的波动则多出现在植物受到高温、强光或细菌感染等胁迫时。

在实验中，研究人员将传感器应用于白菜植物，并使其暴露于四种胁迫条件：高温、强光、昆虫咬伤和细菌感染。每种胁迫均引发不同的时间响应。

过氧化氢的峰值通常在几分钟内出现，并在一小时内恢复。水杨酸则在刺激后两小时内出现波动，而昆虫咬伤并未引发水杨酸的释放。

Strano认为，这些化学信号的波动代表了植物的“语言”，其作用在于触发一系列反应，帮助植物在各种胁迫条件下存活。例如，昆虫咬伤会促使植物释放昆虫不喜欢的化学物质，从而驱赶害虫。水杨酸和过氧化氢还能激活信号通路，促进蛋白质生成，增强植物对热胁迫的耐受。

“植物虽无大脑和中枢神经系统，但它们通过化学信号传递信息，告诉自身其他部分外界环境的异常。”Strano说道。

这项技术是首个能够从植物中提取实时应激信息的系统，同时也是少数几乎适用于各种植物的方法。相比传统依赖荧光蛋白的传感器，这种方法无需对植物进行基因改造，因而具备更广泛的应用前景。

当前，研究人员正致力于进一步优化传感器，以开发出可用于田间预警的“哨兵植物”。例如，当植物缺水时，通常要等到叶片变褐才被察觉，但此时往往已为时已晚。

“面对气候变化和人口增长的双重挑战，深入了解植物应激机制并开发更具耐受性的作物变得至关重要。”Strano强调。

瑞典林雪平大学的生物工程副教授埃莱尼·斯塔夫里尼杜认为，该研究揭示了过氧化氢和水杨酸在植物应激响应中的重要作用，为理解植物内部信号机制提供了新视角。

未来，这项技术还可拓展至具备反馈能力的系统，例如根据植物应激状态自动调节温室温度或光照。

“我们正将这项技术整合到农业监测系统中，使其能比现有传感器更快地为农户提供关键数据，从而实现更及时的干预措施。”Strano指出。

研究团队还在开发能够检测更多植物信号分子的传感器，以全面解析植物对外界刺激的响应机制。

更多信息：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》，自然通讯（2024年）。DOI：10.1038/s41467-024-47082-1

本文由麻省理工学院新闻（web.mit.edu/newsoffice/）授权转载，该平台聚焦于该校在科研、创新与教学方面的最新动态。

查看全文

作者最近更新