植物传感器可充当农业早期预警系统
近期，由麻省理工学院（MIT）与新加坡麻省理工研究与技术联盟（SMART）共同主导的研究团队，开发出一种基于碳纳米管的新型传感器系统，该系统能够实时解析植物在遭受热、光、虫害或病原体侵袭时所释放的化学信号。这项技术为农业提供了一种前所未有的早期预警机制，帮助农民在作物受损之前采取干预措施。
研究人员开发的传感器可同时识别植物应激反应中的两个关键信号分子——过氧化氢（H₂O₂）和水杨酸（SA）。这些分子在植物遭受不同压力源时，呈现出特定的时间序列变化模式，可作为应激类型的“指纹”。通过识别这些化学波动，农民得以在潜在问题扩散之前进行精准干预。
麻省理工学院化学工程Carbon P. Dubbs教授Michael Strano表示：“这两个传感器联合使用，可以准确判断植物正在经历哪种类型的压力。通过实时观察这些化学物质的变化，我们可以读取植物内部的‘应激语言’。”
研究团队在《自然通讯》（Nature Communications）上发表了相关成果。论文的共同通讯作者包括新加坡淡马锡生命科学实验室的Sarojam Rajani，论文第一作者为SMART副科学主任Mervin Chun-Yi Ang和淡马锡生命科学实验室研究员Jolly Madathiparambil Saju。
传感器采用微小碳纳米管嵌入聚合物基质中，可对目标分子作出响应并发出荧光信号。通过调整聚合物结构，研究人员可定制传感器以识别不同分子。本次研究中，团队开发出一种能够检测SA的传感器，这种分子广泛参与植物的生长调控及应激反应。
为将纳米传感器引入植物体内，研究人员将其溶解于溶液后，喷涂于叶片背面。传感器通过气孔进入叶片，并定位于叶肉层——这是光合作用发生的主要区域。一旦被激活，传感器的信号可通过红外摄像设备捕捉。
在实验中，研究者将传感器应用于白菜（Brassica rapa），并使其暴露于四种典型应激源：高温、强光、虫害和细菌感染。结果发现，每种应激都会引发独特的分子响应模式。过氧化氢在刺激后几分钟内迅速上升并在一小时内恢复，而水杨酸的反应则延迟至两小时后，并根据应激类型表现出不同动态。
Strano指出，这种分子波动模式反映了植物内部的应激“语言”。过氧化氢和水杨酸的释放会进一步激发植物自身的防御机制，例如合成驱虫化合物或激活热应激蛋白。
“尽管植物没有大脑或中枢神经系统，但它们发展出了一套复杂的化学信号系统，以传达环境变化和威胁信息，”Strano解释道。
这项技术是当前首个能实现植物应激信号实时读取的系统，同时具备跨物种通用性。与传统的基于转基因荧光蛋白的传感器相比，这种纳米传感器不依赖特定植物的基因改造，因此适用于更广泛的植物种类。
研究团队正进一步优化传感器技术，以开发可用于田间监测的“哨兵植物”，提前预警作物面临的应激威胁。例如，当植物遭遇干旱时，通常要到叶片开始变褐时才能察觉，而传感器可在这一阶段之前发出信号。
Stravrinis来自瑞典林雪平大学的生物工程教授埃莱尼（Eleni）评价称：“这项研究揭示了过氧化氢和水杨酸在植物应激响应中的关键作用，有助于我们更深入理解植物内部信号传导机制。”
未来，研究者计划扩展传感器功能，使其不仅能够检测应激信号，还能触发自动响应系统，例如调节温室内的温度或光照强度。
Strano表示：“我们正将这一技术整合进农业监测系统中，目标是为农民提供前所未有的实时反馈，帮助他们更高效地管理作物。”
团队还计划开发更多传感器，用于识别植物中其他信号分子，以构建更全面的植物响应图谱。
更多信息：Mervin Chun-Yi Ang 等，《利用纳米传感器复用解码活体植物早期应力信号波》，Nature Communications（2024年）。DOI：10.1038/s41467-024-47082-1
期刊信息：自然通讯
由麻省理工学院提供
本报道由麻省理工学院新闻（web.mit.edu/newsoffice/）转载，该网站报道麻省理工学院关于研究、创新与教学的最新进展。