Nanosensorer designet til at detektere plantehormoner

Forskere fra Disruptive &Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) Interdisciplinary Research Group (IRG) i Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), MIT's forskningsvirksomhed i Singapore og deres lokale samarbejdspartnere fra Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) og Nanyang Technological University (NTU) har udviklet den første nanosensor nogensinde til at muliggøre hurtig test af syntetiske auxin plantehormoner. De nye nanosensorer er sikrere og mindre kedelige end eksisterende teknikker til at teste planters reaktion på forbindelser som herbicid, og kan være transformerende til at forbedre landbrugsproduktionen og vores forståelse af plantevækst.

Forskerne designede sensorer til to plantehormoner - 1-naphthaleneddikesyre (NAA) og 2, 4-dichlorphenoxyeddikesyre (2, 4D) - som bruges i vid udstrækning i landbrugsindustrien til henholdsvis at regulere plantevækst og som herbicider. Nuværende metoder til at opdage NAA og 2, 4D forårsager skade på planter, og er ude af stand til at levere in vivo overvågning og information i realtid.

Baseret på konceptet med koronafase molekylær genkendelse (CoPhMoRe), banebrydende af Strano Lab ved SMART DiSTAP og Massachusetts Institute of Technology (MIT), de nye sensorer er i stand til at detektere tilstedeværelsen af ​​NAA og 2, 4D i levende planter i et hurtigt tempo, levering af planteinformation i realtid, uden at forårsage nogen skade. Holdet har med succes testet begge sensorer på en række hverdagsafgrøder, herunder pak choi, spinat og ris på tværs af forskellige plantemedier såsom jord, hydroponisk, og plantevævskultur.

Forklaret i et papir med titlen "Nanosensor Detection of Synthetic Auxins In Planta using Corona Phase Molecular Recognition" offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift ACS sensorer, forskningen kan lette mere effektiv brug af syntetiske auxiner i landbruget og rumme et enormt potentiale til at fremme plantebiologistudier.

"Vores CoPhMoRe-teknik er tidligere blevet brugt til at detektere forbindelser såsom hydrogenperoxid og tungmetalforurenende stoffer som arsen - men dette er det første vellykkede tilfælde af CoPhMoRe-sensorer udviklet til at detektere plantefytohormoner, der regulerer plantevækst og fysiologi, såsom spray for at forhindre for tidlig blomstring og tab af frugter, " siger DiSTAP co-lead Principal Investigator professor Michael Strano og Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik ved MIT, der leder The Strano Lab på MIT. "Denne teknologi kan erstatte nuværende avancerede målemetoder, som er besværlige, Destruktiv, og usikker."

Af de to sensorer udviklet af forskerholdet, den 2, 4D nanosensor viste også evnen til at detektere herbicidmodtagelighed, gør det muligt for landmænd og landbrugsforskere hurtigt at finde ud af, hvor sårbare eller resistente forskellige planter er over for herbicider, uden at det er nødvendigt at overvåge afgrøde- eller ukrudtsvækst over dage. "Dette kunne være utroligt gavnligt for at afsløre mekanismen bag, hvordan 2, 4D virker inden for planter, og hvorfor afgrøder udvikler herbicidresistens, " siger DiSTAP og TLLs hovedefterforsker Dr. Rajani Sarojam.

"Vores forskning kan hjælpe industrien med at få en bedre forståelse af plantevækstdynamikken og har potentialet til fuldstændig at ændre, hvordan industrien screener for herbicidresistens, eliminerer behovet for at overvåge afgrøde- eller ukrudtsvækst over dage, " siger Dr. Mervin Chun-Yi Ang, Forsker ved DiSTAP. "Det kan anvendes på tværs af en række plantearter og plantemedier, og kan nemt bruges i kommercielle opsætninger til hurtig herbicidmodtagelighedstest, såsom bygårde."

NTU-professor Mary Chan-Park Bee Eng siger, "Brug af nanosensorer til in planta-detektion eliminerer behovet for omfattende ekstraktions- og oprensningsprocesser, hvilket sparer tid og penge. De bruger også meget billig elektronik, hvilket gør dem lette at tilpasse til kommercielle opsætninger."

Holdet siger, at deres forskning kan føre til fremtidig udvikling af real-time nanosensorer til andre dynamiske plantehormoner og metabolitter i levende planter.

Udviklingen af ​​nanosensoren, optisk detektionssystem, og billedbehandlingsalgoritmer til denne undersøgelse blev udført af SMART, NTU og MIT, mens TLL validerede nanosensorerne og gav viden om plantebiologi og plantesignaleringsmekanismer. Forskningen udføres af SMART og støttes af NRF under dets Campus for Research Excellence And Technological Enterprise (CREATE) program.