Carbon nanorør indlejret i blade registrerer kemiske signaler, der produceres, når en plante er beskadiget

MIT ingeniører har udviklet en måde at nøje spore, hvordan planter reagerer på belastninger såsom skader, infektion, og lettere skader, ved hjælp af sensorer lavet af carbon nanorør. Disse sensorer kan indlejres i planteblade, hvor de rapporterer om hydrogenperoxidsignalbølger.

Planter bruger hydrogenperoxid til at kommunikere inden i deres blade, udsender et nødsignal, der stimulerer bladceller til at producere forbindelser, der hjælper dem med at reparere skader eller afværge rovdyr såsom insekter. De nye sensorer kan bruge disse hydrogenperoxidsignaler til at skelne mellem forskellige former for stress, samt mellem forskellige plantearter.

"Planter har en meget sofistikeret form for intern kommunikation, som vi nu kan observere for første gang. Det betyder, at i realtid, vi kan se et levende plantes svar, kommunikere den specifikke type stress, den oplever, "siger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik ved MIT.

Denne form for sensor kan bruges til at undersøge, hvordan planter reagerer på forskellige former for stress, muligvis hjælpe landbrugsforskere med at udvikle nye strategier til at forbedre afgrødeudbyttet. Forskerne demonstrerede deres tilgang til otte forskellige plantearter, herunder spinat, jordbærplanter, og rucola, og de tror, ​​det kan fungere i mange flere.

Strano er seniorforfatter af undersøgelsen, som vises i dag i Naturplanter . MIT -kandidatstuderende Tedrick Thomas Salim Lew er hovedforfatter af papiret.

Indbyggede sensorer

I løbet af de sidste år har Stranos laboratorium har undersøgt potentialet for at konstruere "nanobioniske planter" - planter, der indeholder nanomaterialer, der giver planterne nye funktioner, såsom at udsende lys eller opdage vandmangel. I den nye undersøgelse, han satte sig for at indarbejde sensorer, der ville rapportere tilbage om planternes sundhedstilstand.

Strano havde tidligere udviklet carbon nanorørssensorer, der kan registrere forskellige molekyler, herunder hydrogenperoxid. For cirka tre år siden, Lew begyndte at arbejde på at forsøge at inkorporere disse sensorer i planteblade. Undersøgelser i Arabidopsis thaliana, bruges ofte til molekylære undersøgelser af planter, havde foreslået, at planter kunne bruge hydrogenperoxid som et signalmolekyle, men dens nøjagtige rolle var uklar.

Lew brugte en metode kaldet lipid exchange envelope penetration (LEEP) til at inkorporere sensorerne i planteblade. LEEP, som Stranos laboratorium udviklede for flere år siden, muliggør design af nanopartikler, der kan trænge igennem plantecellemembraner. Da Lew arbejdede på at indlejre carbon nanorørssensorerne, han gjorde en serendipitøs opdagelse.

"Jeg trænede mig selv til at blive fortrolig med teknikken, og i løbet af træningen påførte jeg ved et uheld et sår på planten. Så så jeg denne udvikling af hydrogenperoxidsignalet, " han siger.

Han så, at efter et blad blev skadet, hydrogenperoxid frigives fra sårstedet og genererede en bølge, der spredte sig langs bladet, ligner den måde, hvorpå neuroner transmitterer elektriske impulser i vores hjerner. Når en plantecelle frigiver hydrogenperoxid, det udløser calciumfrigivelse i tilstødende celler, som stimulerer disse celler til at frigive mere hydrogenperoxid.

"Som dominoer, der successivt falder, dette gør en bølge, der kan forplante sig meget længere end et hydrogenperoxidpust alene ville, "Strano siger." Selve bølgen drives af cellerne, der modtager og formerer den. "

Denne oversvømmelse af hydrogenperoxid stimulerer planteceller til at producere molekyler kaldet sekundære metabolitter, såsom flavonoider eller carotenoider, som hjælper dem med at reparere skaden. Nogle planter producerer også andre sekundære metabolitter, der kan udskilles til at afværge rovdyr. Disse metabolitter er ofte kilden til de madvarianter, vi ønsker i vores spiselige planter, og de produceres kun under stress.

En vigtig fordel ved den nye sanseteknik er, at den kan bruges i mange forskellige plantearter. Traditionelt set plantebiologer har gjort meget af deres molekylærbiologiske forskning i visse planter, der kan modstå genetisk manipulation, herunder Arabidopsis thaliana og tobaksplanter. Imidlertid, den nye MIT -tilgang kan anvendes på alle fabrikker.

"I dette studie, vi var i stand til hurtigt at sammenligne otte plantearter, og du ville ikke kunne gøre det med de gamle værktøjer, "Siger Strano.

Forskerne testede jordbærplanter, spinat, rucola, salat, brøndkarse, og sorrel, og fandt ud af, at forskellige arter ser ud til at producere forskellige bølgeformer - den karakteristiske form, der frembringes ved at kortlægge koncentrationen af ​​hydrogenperoxid over tid. De antager, at hver plantes reaktion er relateret til dets evne til at modvirke skaden. Hver art ser også ud til at reagere forskelligt på forskellige former for stress, herunder mekanisk skade, infektion, og varme- eller lysskader.

"Denne bølgeform indeholder mange oplysninger for hver art, og endnu mere spændende er, at typen af ​​stress på en given plante er kodet i denne bølgeform, "Strano siger." Du kan se reaktionen i realtid, som en plante oplever i næsten ethvert nyt miljø. "

Stressrespons

Den nær-infrarøde fluorescens produceret af sensorerne kan afbildes ved hjælp af et lille infrarødt kamera forbundet til en Raspberry Pi, en computer på $ 35 kreditkort, der ligner computeren inde i en smartphone. "Meget billig instrumentering kan bruges til at fange signalet, "Siger Strano.

Ansøgninger om denne teknologi omfatter screening af forskellige plantearter for deres evne til at modstå mekaniske skader, lys, varme, og andre former for stress, Siger Strano. Det kunne også bruges til at undersøge, hvordan forskellige arter reagerer på patogener, såsom bakterierne, der forårsager citrusgrønning og svampen, der forårsager kafferust.

"En af de ting, jeg er interesseret i at gøre, er at forstå, hvorfor nogle plantetyper udviser en vis immunitet over for disse patogener, og andre ikke, " han siger.

Strano og hans kolleger i Disruptive and Sustainable Technology for Agricultural Precision tværfaglig forskergruppe ved MIT-Singapore Alliance for Research and Technology (SMART), MIT's forskningsvirksomhed i Singapore, er også interesseret i at studere, hvordan planter reagerer på forskellige vækstbetingelser i bybrug.

Et problem, de håber at løse, er skyggeundgåelse, som ses hos mange plantearter, når de dyrkes med høj densitet. Sådanne planter aktiverer en stressreaktion, der afleder deres ressourcer til at blive højere, i stedet for at lægge energi i at producere afgrøder. Dette sænker det samlede afgrødeudbytte, så landbrugsforskere er interesserede i ingeniørfabrikker, så det ikke tænder det svar.

"Vores sensor giver os mulighed for at opfange det stresssignal og præcist forstå de forhold og den mekanisme, der sker opstrøms og nedstrøms i planten, der giver anledning til skyggeundgåelse, "Siger Strano.