Sensorer på planteblade advarer om vandmangel

Har du glemt at vande den plante på dit skrivebord igen? Det kan snart være i stand til at udsende en SOS.

MIT-ingeniører har skabt sensorer, der kan printes på planteblade og afsløre, hvornår planterne oplever vandmangel. Denne form for teknologi kunne ikke kun redde forsømte stueplanter, men vigtigere, give landmændene en tidlig advarsel, når deres afgrøder er i fare, siger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik ved MIT og seniorforfatteren til det nye studie.

"Dette ser ud til at være den tidligste indikator for tørke, som vi har til landbrugsanvendelser, " siger Strano. "Det er svært at få disse oplysninger på anden måde. Du kan sætte sensorer i jorden, eller du kan lave satellitbilleder og kortlægning, men du ved aldrig rigtig, hvad en bestemt plante registrerer som vandpotentialet."

Strano er allerede begyndt at arbejde med en stor landbrugsproducent for at udvikle disse sensorer til brug på afgrøder, og han mener, at teknologien også kan være nyttig for gartnere og bybønder. Det kan også hjælpe forskere med at udvikle nye måder at konstruere tørkeresistente planter på, han siger.

Volodymyr Koman, en MIT postdoc, er hovedforfatter af papiret, som vises i 8. november online-udgaven af ​​tidsskriftet Lab on a Chip .

Printbare sensorer

Når jorden tørrer ud, planter bremser deres vækst, reducere fotosyntetisk aktivitet, og lider skade på deres væv. Nogle planter begynder at visne, men andre viser ingen synlige tegn på problemer, før de allerede har oplevet betydelig skade.

Den nye MIT-sensor udnytter planternes stomata - små porer i overfladen af ​​et blad, der tillader vandet at fordampe. Når vandet fordamper fra bladet, vandtrykket i planten falder, lader den trække vand op af jorden gennem en proces kaldet transpiration.

Plantebiologer ved, at stomata åbner sig, når de udsættes for lys og lukker sig i mørke, men dynamikken i denne åbning og lukning er blevet undersøgt lidt, fordi der ikke har været en god måde at måle dem direkte i realtid.

"Folk vidste allerede, at stomata reagerer på lys, til kuldioxidkoncentration, til tørke, men nu har vi været i stand til at overvåge det løbende, " siger Koman. "Tidligere metoder var ikke i stand til at producere denne form for information."

For at skabe deres sensor, MIT-forskerne brugte et blæk lavet af kulstofnanorør - små hule kulstofrør, der leder elektricitet - opløst i en organisk forbindelse kaldet natriumdodecylsulfat, som ikke beskadiger stomata. Denne blæk kan printes hen over en pore for at skabe et elektronisk kredsløb. Når poren er lukket, kredsløbet er intakt og strømmen kan måles ved at forbinde kredsløbet med en enhed kaldet et multimeter. Når poren åbner sig, kredsløbet er brudt, og strømmen holder op med at flyde, giver forskerne mulighed for at måle, meget præcist, når en enkelt pore er åben eller lukket.

Ved at måle denne åbning og lukning over et par dage, under normale og tørre forhold, forskerne fandt ud af, at de kan opdage, inden for to dage, når en plante oplever vandstress. De fandt ud af, at det tager stomata omkring syv minutter at åbne efter lyseksponering og 53 minutter at lukke, når mørket falder på. men disse reaktioner ændrer sig under tørre forhold. Når planterne mangler vand, forskerne fandt ud af, at stomata i gennemsnit tager 25 minutter at åbne, mens mængden af ​​tid for stomata at lukke falder til 45 minutter.

Tørkealarm

Til denne undersøgelse, forskerne testede sensorerne på en plante kaldet fredsliljen, som de til dels valgte, fordi den har store stomata. For at påføre blækket på bladene, forskerne skabte en trykform med en mikrofluidisk kanal. Når formen sættes på et blad, blæk, der strømmer gennem kanalen, afsættes på bladoverfladen.

MIT-teamet arbejder nu på en ny måde at anvende de elektroniske kredsløb ved blot at placere et klistermærke på bladoverfladen. Ud over store landbrugsproducenter, gartnere og bybønder kan være interesserede i en sådan enhed, foreslår forskerne.

"Det kan have store konsekvenser for landbruget, især med klimaændringer, hvor du vil have vandmangel og ændringer i miljøtemperaturer, " siger Koman.

I beslægtet arbejde, Stranos laboratorium undersøger muligheden for at skabe arrays af disse sensorer, der kan bruges til at detektere lys og tage billeder, meget som et kamera.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.