当植物受到压力时 纳米传感器可以提醒智能手机

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来密切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，并在其中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。

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地看到有生命的植物的反应，传达其所承受的特定压力类型，”麻省理工学院化学碳杜布斯教授Michael Strano说道。

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，他们相信这种方法可以在更多的植物中起作用。

Strano是该研究的资深作者，该研究发表在《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

在过去的几年中，Strato的实验室一直在探索工程化“纳米植物”的潜力，这种植物采用了纳米材料，能够赋予植物新的功能，例如发光或检测缺水。在这项新研究中，他着手采用可以报告植物健康状况的传感器。

Strano之前已经开发了碳纳米管传感器，可以检测包括过氧化氢在内的各种分子。大约三年前，Lew开始尝试将这些传感器整合到植物叶片中。在研究 拟南芥，经常用于植物的分子研究，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(LEEP)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。

“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，”他说。

他看到叶子受伤后，过氧化氢从伤口处释放出来，并产生了一条沿叶子扩散的波，类似于神经元在我们的大脑中传递电脉冲的方式。当植物细胞释放过氧化氢时，它会触发相邻细胞内的钙释放，从而刺激这些细胞释放更多的过氧化氢。

Strano说：“就像多米诺骨牌不断下降一样，它形成的波传播比单独的过氧化氢泡芙传播得多。” “波本身由接收和传播它的细胞提供动力。”

大量的过氧化氢刺激植物细胞产生称为次生代谢产物的分子，例如类黄酮或类胡萝卜素，可帮助它们修复损害。一些植物还产生其他次生代谢产物，可以分泌这些代谢产物以抵御捕食者。这些代谢产物通常是我们在食用植物中所需要的食物风味的来源，并且它们仅在胁迫下产生。

新的传感技术的关键优势在于它可以用于许多不同的植物物种。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。但是，新的MIT方法可适用于任何工厂。

“在这项研究中，我们能够快速比较8种植物，而您将无法使用旧工具来做到这一点，” Strano说。

研究人员测试了草莓，菠菜，芝麻菜，生菜，豆瓣菜和浆草，发现不同的物种似乎产生不同的波形-通过绘制随时间变化的过氧化氢浓度而产生的独特形状。他们假设每种植物的反应都与其抵抗损害的能力有关。每个物种对不同类型的压力(包括机械伤害，感染以及热或光损伤)的反应也不同。

Strano说：“该波形为每个物种保存了大量信息，更令人兴奋的是，给定植物的胁迫类型已编码在该波形中。” “您可以查看工厂在几乎任何新环境中所经历的实时响应。”

压力反应

传感器产生的近红外荧光可以用连接到Raspberry Pi的小型红外相机成像，Raspberry Pi是一台信用卡大小的计算机，售价35美元，类似于智能手机内部的计算机。“非常便宜的仪器可以用来捕获信号，” Strano说。

Strano说，这项技术的应用包括筛选不同种类的植物以抵抗机械损伤，光，热和其他形式的胁迫。它也可以用来研究不同物种对病原体的反应，例如引起柑橘变绿的细菌和引起咖啡锈的真菌。

他说：“我感兴趣的事情之一就是理解为什么某些类型的植物对这些病原体表现出一定的免疫力，而另一些则不。”

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(SMART)的“农业技术的破坏性和可持续技术跨学科研究小组”，也对研究植物如何应对不同的生长条件感兴趣。城市农场。

他们希望解决的问题之一是避光，这是许多植物在高密度生长时所见的现象。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。

Strano说：“我们的传感器使我们能够截获该应力信号，并准确了解工厂上游和下游发生的条件和机理，从而避免产生阴影。”