科學探索：用納米傳感器實時感知植物的壓力


圖片來源：Felice Frankel
麻省理工學院（MIT）的工程師使用碳納米管制造的傳感器，研發(fā)出一種密切跟蹤植物如何響應脅迫的方法，比如傷害、感染和光損傷等。這些裝置被嵌入植物葉片中，基于過氧化氫信號波作出報告。
植物利用過氧化氫在葉片內(nèi)通信交流，發(fā)送求救信號，刺激葉片細胞產(chǎn)生化合物，協(xié)助植物修復損傷，或者驅(qū)趕昆蟲等天敵。新的傳感器能夠使用這些過氧化氫信號來區(qū)分不同脅迫類型，以及不同植物物種。
“植物擁有非常精細復雜的內(nèi)部通訊形式，我們現(xiàn)在第一次觀測到。這意味著我們能夠?qū)崟r看到活體植物的響應，看到它如何交流所感受到的特異脅迫類型。”MIT的Carbon P. Dubbs化學工程教授麥克·斯特朗諾（Michael Strano）說。
這種傳感器可用來研究植物如何響應不同類型的脅迫，有望協(xié)助農(nóng)業(yè)科學家研發(fā)出提升農(nóng)作物產(chǎn)量的新策略。研究人員在八種不同植物中演示了他們的方法，包括菠菜、草莓植物和芝麻菜，他們還相信該裝置可用在更多地方。
斯特朗諾是該研究的資深作者，研究發(fā)表在《自然·植物》（Nature Plants）雜志上。MIT的研究生泰德里克·托馬斯·薩利姆·劉易（Tedrick Thomas Salim Lew）是論文的主要作者。
嵌入式傳感器
過去幾年內(nèi)，斯特朗諾的實驗室一直探索工程設計“納米仿生植物”的潛力，即將納米材料與植物結合，賦予植物新的功能，比如發(fā)光或者探測水分短缺。在這項新研究中，他著手添加能夠報告植物健康狀況的傳感器。
斯特朗諾先前研發(fā)過碳納米管傳感器，這些傳感器能夠探測不同分子，比如過氧化氫。大約三年前，劉易開始努力嘗試將這些裝置嵌入植物葉片中。擬南芥（Arabidopsis thaliana）常用于植物分子研究，這些研究表明，植物可能使用過氧化氫作為信號傳導分子，但其確切作用尚不清楚。
劉易使用一種稱作脂質(zhì)交換膜滲透（LEEP）的方法將傳感器嵌入植物葉片中。LEEP 是斯特朗諾實驗室?guī)啄昵把邪l(fā)的技術，用來設計能夠滲透植物細胞膜的納米顆粒。由于劉易一直鉆研如何嵌入碳納米管傳感器，他有了一次偶然發(fā)現(xiàn)。
他說：“我過去一直訓練自己熟悉這項技術，在訓練過程中，我不小心弄傷了植物。然后看到了過氧化氫信號的演變?！?br>

圖片來源：pixabay
他看到植物受傷之后，過氧化氫從傷口位點被釋放出來，產(chǎn)生一種波，沿著葉片擴散出去，類似于我們大腦中神經(jīng)元傳輸電脈沖信號。隨著植物釋放出過氧化氫，就會觸發(fā)相鄰細胞內(nèi)鈣的釋放，從而刺激那些細胞釋放更多的過氧化氫。
“就像多米諾骨牌一樣，這讓波傳播得比單次釋放的過氧化氫要遠得多。”斯特朗諾說，“細胞接收信號波后，又產(chǎn)生了更多的信號波，進行進一步傳播?！?br> 這股過氧化氫洪流刺激植物細胞產(chǎn)生稱為次生代謝物的分子，比如黃酮類化合物或者類胡蘿卜素，幫助植物修復損傷。一些植物還會分泌其他次生代謝物，用來驅(qū)趕天敵。這些代謝物質(zhì)往往是可食用植物中我們喜歡味道的來源，它們只會在受到脅迫時產(chǎn)生。
這種新傳感技術的關鍵優(yōu)勢在于適用許多不同植物物種。傳統(tǒng)上，植物生物學家在某些可進行遺傳調(diào)控的植物中展開大量分子生物學研究，包括擬南芥和煙草植物。而MIT的新方法有潛力適用于任何植物。
斯特朗諾說：“在這項研究中，我們能夠快速比較八種植物，而用過去的工具就無法做到。”
研究人員測試了草莓、菠菜、芝麻菜、萵苣、水芹和酢漿草，他們發(fā)現(xiàn)不同的物種似乎產(chǎn)生不同的波形，過氧化氫隨時間相關的濃度變化有著獨特的規(guī)律。他們假設，每種植物的響應與它應對損傷的能力相關。每一物種面對不同脅迫似乎會做出不同的響應，包括機械損傷、感染、熱損傷和光損傷。
“對于每種物種，這種波形包含很多信息，甚至更讓人激動的是，波形中編碼著給定植物的脅迫類型?！彼固乩手Z說，“你可以觀察植物在幾乎任何新環(huán)境下經(jīng)歷的實時反應。”
脅迫反應
傳感器產(chǎn)生的近紅外線熒光可以通過連接到樹莓派（Raspberry Pi）的小型紅外線攝像機成像，樹莓派是價值35美元、信用卡大小的計算機，類似于智能手機內(nèi)的計算機。斯特朗諾說：“這種非常廉價的工具可用來捕捉信號?！?br> 斯特朗諾說，這項技術的應用包括篩選不同類型的植物種類，確定其抵抗機械損傷、光損傷、熱損傷和其他脅迫類型的能力。還能用來研究不同物種如何應對病原體，比如導致柑橘變綠的細菌，以及讓咖啡得銹病的真菌。
“我感興趣的一件事情就是理解為什么某些類型的植物對這些病原體免疫，而其他植物就不行?！彼^續(xù)說。
斯特朗諾還有興趣研究植物如何響應城市農(nóng)場的不同生長環(huán)境，這方面工作是和在 MIT-新加坡研究技術聯(lián)盟（SMART）顛覆性和可持續(xù)性精準農(nóng)業(yè)技術（ Disruptive and Sustainable Technology for Agricultural Precision ）跨學科研究小組的同事一起進行的。
他們希望解決的一個問題是植物的蔽蔭反應（shade avoidance），這是生長在高密度環(huán)境中的植物的常見反應。這類植物會啟動一種脅迫反應：轉(zhuǎn)移資源讓自己長得更加高大，而不是將能量投入作物生產(chǎn)。這會降低作物的整體產(chǎn)量，所以農(nóng)業(yè)研究人員很有興趣工程改造植物，來避免啟動這樣的響應機制。


圖片來源：pixabay
斯特朗諾說：“我們的傳感器能讓我們解釋脅迫信號，準確地理解發(fā)生在植物上游和下游中導致蔽陰反應的條件和機制。”
該研究接受新加坡國家研究基金會，新加坡科技研究局（A*STAR），以及美國能源計算機科學研究生獎學金項目的資助。
撰文：Anne Trafton
翻譯：阿金
審校：戚譯引
引進來源：MIT News Office
引進鏈接：http://news.mit.edu/2020/cnt-nanosensor-smartphone-plant-stress-0415
本文來自：環(huán)球科學


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