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嵌入在叶子中的碳纳米管可以检测到植物受损时产生的化学信号刘以达

时间:2022年10月18日

嵌入在叶子中的碳纳米管可以检测到植物受损时产生的化学信号

麻省理工学院的工程师们已经开发出一种方法,可以使用碳纳米管制成的传感器紧密跟踪植物如何应对诸如伤害,感染和光害等胁迫。这些传感器可以嵌入植物的叶子中,在那里它们报告过氧化氢信号波。

植物利用过氧化氢在其叶片内部进行通讯,发出胁迫信号,刺激叶片细胞产生化合物,从而帮助其修复损害或抵御诸如昆虫的食肉动物新的传感器可以使用这些过氧化氢信号来区分不同类型的压力以及不同种类的植物。

迈克尔说:“植物具有非常复杂的内部沟通形式,我们现在可以首次观察到。这意味着我们可以实时看到活体植物的反应,传达其所承受的特定压力类型。斯特拉诺,麻省理工学院化学工程学的碳教授。

这种传感器可用于研究植物如何应对不同类型的胁迫,从而有可能帮助农业科学家制定提高作物产量的新策略。研究人员在菠菜,草莓植物和芝麻菜等八种不同的植物物种中证明了他们的方法,他们认为这种方法可以在更多的植物中起作用。

Strano是这项研究的资深作者,该研究今天发表在《自然植物》中。麻省理工学院研究生Tedrick Thomas Salim Lew是该论文的主要作者。

嵌入式传感器

在过去的几年里,斯特拉诺的实验室一直在探索工程“nanobionic植物”的潜力 - 植物结合了纳米材料,给植物新功能,如发光或检测缺水。在新的研究中,他开始着手整合传感器会汇报对植物的健康状况。

斯特拉诺以前开发的碳纳米管传感器,可以检测各种分子,包括过氧化氢。大约三年前,卢开始尝试这些传感器整合到植物的叶子工作。在拟南芥中,经常用于植物分子研究研究,曾建议,植物可能使用过氧化氢作为一种信号分子,但其确切的作用还不清楚。

Lew使用一种称为脂质交换包膜穿透的方法将传感器整合到植物叶片中。Strano实验室几年前开发的LEEP允许设计可穿透植物细胞膜的纳米颗粒。当Lew致力于嵌入碳纳米管传感器时,他偶然发现了一个发现。

他说:“我正在训练自己以熟悉该技术,在训练过程中,我不小心在植物上造成了伤口。然后,我看到了过氧化氢信号的这种演变。”

他看到叶受伤后,过氧化氢从伤口部位释放,并产生了一波沿叶,类似于神经元传送在我们的大脑电脉冲方式传播。作为过氧化物的植物细胞释放氢时,它触发相邻小区内钙释放,刺激的那些细胞释放更多的过氧化氢。

“像多米诺骨牌一样依次下降,这使得波可以更进一步传播比单独会过氧化氢粉扑,”斯特拉诺说。“波本身是由接收和繁殖它的电池供电。”

大量的过氧化氢刺激植物细胞产生称为次生代谢物的分子,例如类黄酮或类胡萝卜素,可帮助它们修复损害。一些植物也产生可被分泌到抵挡天敌其它次级代谢产物。这些代谢物常常是我们在食用植物渴望食物的五味的来源,他们只是在压力下产生的。

新的传感技术的关键优势在于,它可以在许多不同的植物物种中。传统上,植物生物学家在某些适合遗传操作的植物中进行了许多分子生物学研究,包括拟南芥和烟草植物。然而,新的MIT方法适用于潜在的任何植物。

“在这项研究中,我们能够快速比较8种植物,你将无法做到与旧的工具,”斯特拉诺说。

研究人员测试草莓植株,菠菜,芝麻菜,生菜,西洋菜,和酸模,发现不同的物种似乎产生不同的波形 - 通过随时间的过氧化氢的浓度映射所产生的独特的形状。他们推测,每个工厂的响应与它抵消伤害能力。每个物种对不同类型的压力的反应也不同。

“这波掌握着大量的信息,对每个品种,更令人兴奋的是,压力在给定的植物种类在这个波形编码,”斯特拉诺说。“你可以看一下实时响应,在几乎所有的新环境植物的经验。”

压力反应

由传感器所产生的近红外荧光的可以使用一个小的红外摄像机连接到树莓裨,一个$ 35的信用卡大小的计算机类似智能电话内的计算机进行成像。“非常便宜的仪器可以用来捕获信号,”斯特拉诺说。

该技术的应用包括筛选植物的不同品种其抵御机械损伤,光,热,以及其他形式的应激能力,斯特拉诺说。它也可以用来研究如何不同种类的病原体,如细菌引起的柑橘绿化和使咖啡锈病真菌回应。

“有一个问题我很感兴趣做的事情是理解为什么有些类型的植物表现出一定的免疫力,这些病原体和别人不一样,”他说。

Strano及其同事是麻省理工学院在新加坡的研究企业,麻省理工学院-新加坡研究与技术联盟的“破坏性和可持续性农业技术精确度”跨学科研究小组的研究人员,也对研究植物如何应对不同的生长条件感兴趣。城市农场。

他们希望解决一个问题是避荫,这被认为是在植物的许多物种,当他们在高密度生长。这样的植物会产生压力反应,从而将其资源转移到更高的地方,而不是将能量投入到生产农作物中。这降低了农作物的总体产量,因此农业研究人员对工程植物很感兴趣,因此不要打开这种响应。

“我们的传感器允许我们截距,压力信号和正确理解的条件和正在发生的上游和下游在于产生了避荫植物中的机制,”斯特拉诺说。

这项研究是由新加坡国家研究基金会,新加坡机构科学,技术和研究局,并能计算科学研究生奖学金计划,美国能源部资助。

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