新型植物传感器助力农业预警系统构建
麻省理工学院（MIT）联合新加坡麻省理工研究与技术联盟（SMART）的研究团队，近期开发出一种基于碳纳米管的植物传感器系统。该系统能够实时捕捉植物在面对环境压力时所释放的化学信号，为农业提供早期预警的可能性。
这项研究关注的两种关键信号分子是过氧化氢与水杨酸。研究人员发现，植物在遭遇不同类型的胁迫，如高温、强光、昆虫啃食或细菌感染时，会以特定的时间模式释放这两种分子。这种化学响应模式可作为识别胁迫类型的有效“指纹”，为农业监测提供重要线索。
“通过同步监测这两种分子的动态变化，我们能够准确识别植物所承受的胁迫类型。”研究团队成员之一、麻省理工学院化学工程教授Michael Strano表示。他指出，传感器能够实时追踪植物内部化学信号的波动，为农业决策提供数据支持。
该研究由Strano教授与新加坡淡马锡生命科学实验室的Sarojam Rajani博士共同指导，相关成果发表于《自然通讯》期刊。论文第一作者为SMART副科学主任Mervin Chun-Yi Ang博士，以及淡马锡生命科学实验室的研究人员Jolly Madathiparambil Saju。
此前，Strano教授团队已研发出一种用于检测过氧化氢的传感器，该分子在植物遭受昆虫攻击或细菌感染等压力时会显著升高。这些传感器基于包裹在聚合物中的碳纳米管，通过调整聚合物结构，可对不同分子作出响应，并发出可检测的荧光信号。
在这项研究中，研究团队进一步开发出一种新的纳米传感器，可特异性识别水杨酸。水杨酸作为植物生长、发育和应激调控的关键分子，其浓度变化能够反映植物内部生理状态的转变。
研究团队将两种传感器结合，通过叶片背面涂抹的方式将传感器嵌入植物体内。传感器能够通过气孔进入叶肉细胞，在光合作用活跃的区域稳定存在。当目标分子存在时，传感器会发出荧光信号，该信号可通过红外相机轻松捕捉。
在实验中，研究人员将传感器应用于白菜（Brassica rapa），并测试了植物在面对高温、强光、昆虫啃食和细菌感染四种压力时的反应。结果表明，所有处理均在数分钟内引发过氧化氢的上升，并在一小时内达到峰值后恢复。而水杨酸的响应则因压力类型不同而在两小时内呈现差异。
值得注意的是，昆虫啃食并未引发水杨酸的显著变化，这表明水杨酸主要参与的是非生物胁迫的响应机制。Strano教授表示，这种动态化学信号网络构成了植物应对多种环境挑战的“语言系统”，能够激活防御反应，如释放抗虫化合物或合成应激蛋白。
“植物虽然缺乏中枢神经系统，但它们依靠复杂的化学信号传递机制来应对环境变化。”Strano教授指出。这项技术首次实现了从活体植物中获取实时应激信息的能力，其通用性远高于依赖基因工程的荧光蛋白传感器。
研究团队正在推进传感器系统的进一步优化，旨在开发可用于田间预警的“哨兵植物”。例如，在干旱条件下，植物通常在叶片变褐后才显现缺水迹象，而该传感器系统有望在这一过程发生前就提供警报。
“随着全球气候变化加剧和人口持续增长，理解植物应激机制并提升其耐受性变得尤为重要。”Strano教授表示。
林雪平大学生物工程副教授Eleftheria Stavrinidou评价称，这项研究揭示了水杨酸与过氧化氢在植物应激反应中的广泛作用，对解析植物信号传导机制具有重要意义。
此外，该技术的未来发展还包括构建能够不仅感知胁迫，还能自动调节环境的系统。例如，温室中可根据植物信号调整温度或光照强度。
“我们正在将这项技术整合到农业诊断系统中，目标是为农民提供比传统方法更快速、更精准的实时监测能力。”Strano教授表示。
研究团队还计划扩展传感器的功能，以识别更多植物信号分子，从而深入理解植物在各类刺激下的反应机制。
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）。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在研究、创新与教学领域的最新动态。