植物纳米传感器为农业提供早期预警能力

植物纳米传感器为农业提供早期预警能力

近年来，传感器技术在农业领域的应用不断拓展，尤其是在监测植物健康状况方面取得了突破性进展。研究人员发现，通过部署高灵敏度的纳米传感器，可以捕捉植物在遭受不同环境压力时释放的化学信号，从而为农民提供早期预警。

在一项由麻省理工学院（MIT）与新加坡MIT研究与技术联盟（SMART）联合开展的研究中，科学家利用碳纳米管为基础的传感器，成功识别了植物在应对热应激、光照变化以及虫害或细菌侵袭时的内部信号反应。

双分子信号：过氧化氢与水杨酸

这些传感器能够检测植物内部的两种关键信号分子：过氧化氢和水杨酸。研究人员发现，植物在面对不同的外部压力时，会在特定时间内生成这些分子，形成独特的信号模式。这种模式可以作为植物应激状态的“指纹”，帮助识别潜在威胁。

麻省理工学院化学工程系Carbon P. Dubbs教授Michael Strano表示：“将这两种传感器结合使用，可以精准判断植物当前所承受的应力类型。通过实时监测化学信号的变化，农民能够在损失发生前采取干预措施。”

本研究的主要成果发表于《自然通讯》（Nature Communications），由SMART副科学主任Mervin Chun-Yi Ang与淡马锡生命科学实验室研究员Jolly Madathiparambil Saju共同主导。

传感器的工作原理

传感器由微小的碳纳米管构成，其表面包裹着可调节结构的聚合物。通过调整聚合物的三维结构，传感器可被设计用于检测不同的分子，当目标分子出现时会发出荧光信号。

在此次研究中，科研团队开发了一种新的纳米传感器，能够精准识别水杨酸。这种分子在调控植物生长、发育及应对环境压力方面发挥关键作用。研究人员将传感器溶解在溶液中后，将其涂抹于植物叶片背面，随后通过气孔进入植物内部，最终定位在叶肉细胞层。

当传感器被激活时，其发出的信号可通过红外摄像设备实时捕捉。通过对比双分子信号的变化曲线，研究人员能够区分不同类型的应激事件。

实验证明：每种压力都有独特的信号响应

在实验中，研究人员将传感器应用于白菜植物，并模拟了四种常见压力源：高温、强光、昆虫叮咬和细菌感染。结果表明，植物对不同刺激的反应具有显著差异。

• 所有处理在数分钟内均引发了过氧化氢的生成。
• 在热、光和细菌胁迫下，水杨酸在刺激后1至2小时内出现。
• 昆虫咬伤则未引发水杨酸的显著变化。

这些信号模式为植物的应激“语言”提供了线索。过氧化氢和水杨酸的波形变化触发了植物的防御机制，帮助其在面对复杂环境时存活。

农业应用前景

该技术是目前唯一能够实时从活体植物获取内部信息的手段，且具有广泛的适用性。当前大多数植物传感器依赖基因工程修饰的荧光蛋白，只能在特定植物物种中使用，如烟草或拟南芥。相比之下，该纳米传感器无需基因改造，适用于绝大多数植物。

研究团队正致力于开发可部署于田间的“哨兵植物”，这些植物能够在农作物出现应激前发出信号，从而为农民提供预警。

“随着气候变化和人口增长带来的挑战加剧，深入了解植物如何应激并设计更具适应性的作物变得尤为关键。”Strano表示。

未来发展方向

除了当前的双分子检测系统，科研人员还在探索更多可能的植物信号分子，期望进一步揭示植物在不同环境条件下的反应机制。

此外，研究人员还设想将该技术集成到智能温室系统中，使传感器不仅能监测植物状态，还能触发环境调节机制，如自动调整温度或光照强度。

“我们正在构建一种全新的植物健康诊断平台，能够在早期阶段为农业决策提供数据支持。”Strano总结道。

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》，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。