麻省理工学院纳米传感器可以在植物压力时提醒智能手机

麻省理工学院化学工程师设计了一种传感器，可以嵌入植物叶中并测量过氧化氢水平，这表明损坏已经发生。信号可以发送到附近的智能手机。

嵌入叶片中的碳纳米管检测植物损坏时产生的化学信号。

麻省理工学院工程师开发了一种用碳纳米管制成的传感器密切地跟踪植物如何应对伤害，感染和轻损伤的压力。这些传感器可以嵌入植物叶中，在那里他们报告过氧化氢信号波。

植物使用过氧化氢在它们的叶子内连通，发出刺激叶片细胞以产生化合物的遇险信号，以帮助他们修复损坏或抵御昆虫等捕食者。新传感器可以使用这些过氧化氢信号来区分不同类型的应力，以及不同种类的植物之间。

“植物具有非常复杂的内部沟通形式，我们现在可以第一次观察。这意味着，实时，我们可以看到一种生动的工厂的回应，沟通它正在经历的特定的压力，“Michael Strano，MICAS MIT化学工程教授迈克​​尔斯特拉诺说。

这种传感器可用于研究植物如何应对不同类型的压力，可能有助于农业科学家培养新的策略，以改善作物产量。研究人员在八种不同的植物物种中证明了它们的方法，包括菠菜，草莓植物和芝麻菜，他们认为它可以在更多的地方工作。

Strano是该研究的高级作者，今天在自然植物中出现。麻省理工学院毕业生Tedrick Thomas Salim Lew是本文的牵头作者。

嵌入式传感器

在过去几年中，Strano的实验室一直在探索工程“纳米植物” - 植物植物，其纳米材料，其给予植物新功能，例如发光或检测水短缺。在新的研究中，他开始融入报告植物健康状况的传感器。

Strano先前已经开发出碳纳米管传感器，其可以检测各种分子，包括过氧化氢。大约三年前，lew开始努力尝试将这些传感器纳入植物叶子。拟南芥的研究通常用于植物的分子研究，提出了植物可以使用过氧化氢作为信号分子，但其确切的作用尚不清楚。

Lew使用一种称为Lipid Exchange包络渗透（LEEP）的方法将传感器纳入植物叶子。斯特拉诺的实验室开发了几年前的Leep，允许设计能够穿透植物细胞膜的纳米颗粒。由于Lew正在嵌入碳纳米管传感器，他做了一个偶然的发现。

“我正在训练自己熟悉这种技术，并且在训练过程中，我不小心为植物造成伤口。然后我看到过氧化氢信号的这种演变，“他说。

他看到在叶片受伤后，过氧化氢从伤口部位释放并产生沿着叶子扩散的波，类似于神经元在我们的大脑中传递电脉冲的方式。作为植物细胞释放过氧化氢，它触发相邻细胞内的钙释放，其刺激这些细胞以释放更多的过氧化氢。

“像多米诺先后落下一样，这使得一波可以比仅通过过氧化氢吹的繁殖，”斯特拉诺说。“波浪本身由接收和传播它的单元格供电。”

这种过氧化氢泛氧化氢刺激植物细胞，以产生称为次生代谢物的分子，例如黄酮类或类胡萝卜素，这有助于他们修复损伤。一些植物还产生其他次级代谢物，可以分泌以抵御捕食者。这些代谢物通常是我们在食用植物中渴望的食物口味的来源，它们仅在压力下产生。

新传感技术的一个关键优势在于它可以在许多不同的植物物种中使用。传统上，植物生物学家在某些植物中做了许多可用于遗传操作的植物中的许多分子生物学研究，包括拟南芥和烟草植物。但是，新的MIT方法适用于潜在的任何工厂。

“在这项研究中，我们能够快速比较八种植物物种，而且您将无法与旧工具一起做到这一点，”Strano说。

研究人员测试了草莓植物，菠菜，芝麻菜，莴苣，豆瓣和酢浆草，发现不同的物种似乎产生不同的波形 - 通过绘制过氧化氢的浓度随着时间的推移而产生的独特形状。他们假设每个工厂的响应与其抵消损害的能力有关。每个物种似乎也响应不同类型的压力，包括机械损伤，感染和热量或光损伤。

“这种波形对每个物种保持大量信息，甚至更令人兴奋的是，在这种波形中编码给定植物上的应力类型，”Strano说。“你可以看看几乎任何新环境中的植物经历的实时反应。”

压力反应

通过传感器产生的近红外荧光可以使用连接到覆盆子PI的小型红外摄像头进行成像，35美元的信用卡大小的计算机类似于智能手机内的计算机。“可以使用非常便宜的仪器来捕获信号，”Strano说。

斯特拉诺说，这种技术的应用包括筛选不同种植的植物，以抵抗机械损坏，光，热和其他形式的压力。它也可以用于研究不同的物种如何应对病原体，例如导致柑橘绿化的细菌和导致咖啡生锈的真菌。

“我有兴趣的事情是理解为什么某些类型的植物对这些病原体表现出某些免疫力，其他类型的植物并没有，”他说。

STRANO和他的同事在新加坡 - 麻省理工学院联盟（SMART）的农业精密跨学科研究组中的破坏性和可持续技术，在新加坡麻省理工学院的研究企业，也有兴趣学习是植物如何应对不同的日益增长的条件城市农场。

他们希望地解决的一个问题是避免避免，这在许多植物中被观察到高密度。这种植物改变了应力反应，使其资源变得更高，而不是将能量投入生产作物。这降低了整体作物产量，因此农业研究人员对工程厂感兴趣，以便不打开该响应。

“我们的传感器使我们能够拦截这种应力信号并准确地了解正在发生的植物上游和下游的条件和机制，这使得避免避免的植物上游和下游。”Strano说。

参考：“使用光学纳米传感器的植物中伤口诱导的H2O2信号波的实时检测”由Tedrick Thomas Salim Lew，Volodymyr B. Koman，Kevin S. Silmore，Jun Sung Seo，Pavlo Gordiichuk，Seon-Yeong Kwak，Mercinung Park，Mervin Chun-Yi Ang，Duc Thinh Khong，Michael A. Lee，Mary B. Chan Park，Nam-Hai Chua和Michael S. Strano，4月15日4月15日，自然植物.DOI：
10.1038 / s41477-020-0632-4

该研究由新加坡科学，技术和研究局（A * Star）和美国能源计算科学研究生奖学金计划中的新加坡国家研究基金会资助。