植物传感器可成为农业预警新工具
科学家们最近开发出一种基于纳米技术的传感器，能够深入感知植物内部的化学变化，从而为农民提供早期预警信息，以应对作物在面对环境胁迫或病虫害时可能出现的问题。
麻省理工学院与新加坡麻省理工研究与技术联盟（SMART）的科研团队开发了一对由碳纳米管构成的传感器，用于识别植物在遭遇高温、强光、昆虫攻击或细菌侵袭等应激条件时释放的内部信号。
这两种传感器分别用于检测过氧化氢（H2O2）和水杨酸（SA），这两种分子在植物的应激响应机制中起关键作用。研究发现，植物在不同类型的胁迫下，会在特定时间点释放这些分子，并形成具有辨识度的分子组合模式，从而构成一套内部“预警系统”。
这类传感器系统可用于农业监测，帮助农民在作物受损之前及时采取保护措施，避免大面积减产。
“我们发现，当两个传感器协同工作时，可以较为准确地识别出植物所承受的应激类型。通过实时监控其内部化学变化，每一次波动都像指纹一样，揭示出植物所面对的威胁。”麻省理工学院化学工程Carbon P. Dubbs教授、该研究的高级作者之一Michael Strano表示。
本项研究成果由新加坡淡马锡生命科学实验室的Sarojam Rajani教授共同领导，并发表于《自然通讯》期刊。论文的主要作者包括SMART副科学主任Mervin Chun-Yi Ang以及淡马锡生命科学实验室研究员Jolly Madathiparambil Saju。
植物对各类应激源的反应机制各不相同。早在2020年，Strano的团队已成功研发出一种能够检测过氧化氢的纳米传感器。这种传感器由碳纳米管包裹在聚合物基体中，可根据目标分子的化学特性调整其三维构型，从而实现对特定化合物的选择性识别。
在最新的研究中，研究人员进一步开发了用于检测水杨酸的传感器。水杨酸是植物生长调控和应激反应中的核心信号分子。研究人员通过将纳米传感器溶解于溶液中，随后喷涂在植物叶背，使传感器能够通过叶片气孔进入，并定位于叶肉细胞层，这是光合作用发生的主要区域。当传感器被激活后，其荧光信号可通过红外摄像系统捕捉。
在实验中，研究人员将过氧化氢和水杨酸传感器应用于一种常见绿叶蔬菜——大白菜，并将其暴露于四种不同胁迫条件下：高温、强光、昆虫叮咬以及细菌感染。结果表明，植物在每种胁迫下都会表现出独特的分子响应模式。
无论面对何种胁迫，植物都会在数分钟内产生过氧化氢，其浓度在一小时内达到峰值后逐渐恢复。而水杨酸的反应则更具差异性。在高温、强光或细菌感染条件下，水杨酸会在两小时内出现波浪式波动，而昆虫叮咬则几乎不引发该分子的释放。
Strano指出，这些分子信号构成了植物内部协调应激反应的“语言”。过氧化氢和水杨酸的波动会进一步激活一系列下游反应，帮助植物在多种胁迫环境下增强生存能力。
以昆虫攻击为例，植物会释放昆虫不喜的化合物，从而驱赶害虫。而水杨酸和过氧化氢则可激活特定信号通路，促进防御性蛋白质的合成，协助植物应对热胁迫和其他环境压力。
“尽管植物没有大脑或中枢神经系统，但它们进化出了复杂的化学通讯机制，以传达外部环境变化的信息，例如‘天气过热’或‘被昆虫攻击’。”Strano补充道。
这项技术是目前唯一可广泛适用于多种植物的实时监测系统。大多数现有传感器基于荧光蛋白，需要对特定植物类型进行转基因改造，如烟草或拟南芥，因此应用范围有限。
当前，研究人员正致力于将这些传感器用于创建“哨兵植物”，以提升农业预警系统的响应速度。例如，当植物缺水时，叶片通常在变褐后才显现出问题，而到那时往往已错过最佳干预时机。
“随着全球气候变化和人口增长带来的挑战，迫切需要深入了解植物如何适应压力，并开发更具抗逆性的作物品种。”Strano表示。
瑞典林雪平大学的埃莱尼·斯塔夫里尼杜副教授也评价道：“这项研究揭示了H2O2和水杨酸在植物应激反应中的关键作用，有助于我们进一步解析植物内部的信号传导机制。”
未来，该技术可拓展至更复杂的应用场景，如开发可自动调节温室环境的智能系统，通过调控温度或光照条件，帮助植物更有效地应对外部胁迫。
“我们正在努力将这项技术整合进农业诊断系统中，使其能够为农民提供比现有传感器更快的实时信息，从而更及时地采取保护措施。”Strano说。
研究人员还计划继续开发用于识别其他植物信号分子的传感器，以更全面地解析植物在不同刺激下的反应机制。
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研究、创新和教学相关新闻。