植物传感器可为农业提供早期预警功能
麻省理工学院与新加坡麻省理工研究与技术联盟（SMART）的科学家团队，开发出一种基于碳纳米管的传感器系统，能够实时感知植物在面对温度、光照、昆虫侵袭或细菌感染等环境压力时的化学信号变化。
该系统能够识别植物在应激过程中释放的两种关键信号分子——过氧化氢（H₂O₂）和水杨酸（SA），后者是一种在植物免疫反应和生长调控中起重要作用的化合物。研究发现，这些信号在不同类型的应激下呈现出独特的时间模式，可用于识别植物正在经历的压力类型。
研究团队指出，这种传感技术有望帮助农民在作物受损之前采取预防措施，从而减少农业损失。
“这两个传感器的组合可以准确识别植物所承受的压力类型。通过实时监测内部化学变化，每一次波动都像是一个特定应激的‘指纹’。” 麻省理工学院化学工程教授、该项目资深研究者Michael Strano表示。
本研究由新加坡淡马锡生命科学实验室的Sarojam Rajani教授与Strano教授共同指导，发表于《自然通讯》期刊。主要研究者包括SMART副科学主任Mervin Chun-Yi Ang以及淡马锡生命科学实验室的研究员Jolly Madathiparambil Saju。
植物在不同压力来源下会表现出不同的反应机制。2020年，Strano实验室曾开发出可检测过氧化氢的传感器。这类传感器由聚合物包裹的碳纳米管组成，通过调整聚合物结构，能够针对特定分子进行定制化检测，并在目标分子存在时发出荧光信号。
在此次研究中，团队进一步开发了针对水杨酸的传感器，并通过将传感器溶液涂抹在植物叶背，使其通过气孔进入叶肉膜层，该层是光合作用的主要发生区域。一旦传感器被激活，其信号可通过红外摄像设备轻松捕捉。
研究人员在实验中使用了白菜（Brassica rapa pekinensis），并将植物分别暴露于高温、强光、昆虫啃食和细菌感染四种压力条件。他们观察到，植物对每种压力均会迅速释放过氧化氢，并在一小时内达到峰值，随后逐渐恢复。
不同压力源在刺激后两小时内会引发水杨酸的波动。其中昆虫咬伤几乎不会触发水杨酸反应，而高温、强光和细菌感染则会形成各自特异性的水杨酸变化模式。
Strano指出，这些信号构成了植物内部应激“语言”的一部分。过氧化氢和水杨酸的波动会进一步激发植物的防御机制，如释放驱虫化学物质、激活抗热蛋白合成等。
“尽管植物没有大脑和神经系统，但它们演化出了通过化学物质传递信息的复杂机制。这使它们能够向自身其他部分传达‘天气过热’或‘正在遭受昆虫攻击’等信息。” Strano补充。
这项技术是当前唯一一种能够在多种植物上通用的实时监测方法。与传统依赖基因工程改造的荧光蛋白传感器不同，该系统无需对特定植物种类进行遗传修饰，因而具备更广泛的适用性。
研究人员正在尝试将传感器进一步优化，开发可用于农田的“哨兵植物”，使其能够在作物承受压力前发出预警。例如，植物缺水时通常会表现为叶片变褐，但此时往往已难以挽回。
“在气候变化和人口增长的双重压力下，我们亟需更深入理解植物如何应对环境变化，并培育出更抗逆的作物。” Strano表示。
瑞典林雪平大学的生物工程副教授Eleni Stafylari指出，这项研究揭示了水杨酸和过氧化氢在植物应激反应中扮演的关键角色，有助于理解植物内部的信号传导机制。
此外，研究人员还在探索将该技术集成到自动化农业系统中，使传感器不仅具备感知功能，还能触发外部干预，如调整温室内的温度和光照。
“我们正在将这一技术整合进诊断系统，以期为农民提供比现有传感器更快的实时反馈。” Strano表示。
团队还计划继续扩展该系统，开发用于检测其他植物信号分子的传感器，以更全面地了解植物在各种环境刺激下的反应。
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：Nature Communications
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