植物传感器助力农业预警系统升级
麻省理工学院与新加坡麻省理工研究与技术联盟（SMART）的研究团队近期开发了一种创新传感器技术，能够实时捕捉植物在遭遇多种环境压力时产生的内部化学变化。该传感器基于碳纳米管构建，可检测过氧化氢和水杨酸这两种关键信号分子。
这些分子在植物应激反应中扮演核心角色。研究表明，不同类型的胁迫——如高温、强光、昆虫啃食或细菌感染——会引发植物体内形成独特的分子波动模式，从而形成类似“指纹”的信号。通过解码这些化学信号，农民有望提前识别潜在威胁，及时采取应对措施。
“我们设计的传感器组合能够精准区分植物所遭受的压力类型。通过实时监测内部化学变化，农民可以像阅读植物语言一样掌握其健康状态。” 麻省理工学院化学工程Carbon P. Dubbs教授、项目高级作者Michael Strano表示。
本研究由Strano与新加坡淡马锡生命科学实验室高级首席研究员Sarojam Rajani共同主导，论文主要作者为SMART副科学主任Mervin Chun-Yi Ang及该实验室研究官Jolly Madathiparambil Saju，文章发表于《自然通讯》。
这项技术的突破始于2020年，当时Strano团队首次研发出一种可检测过氧化氢的传感器。该传感器由包裹在聚合物基质中的微型碳纳米管构成，其三维结构可被调整以适应不同目标分子。在这项新工作中，研究团队进一步开发出可检测水杨酸的传感器，该分子在植物生长调控及应激响应中发挥重要作用。
传感器的部署方式简便：研究人员将纳米传感器溶解于溶液中，涂抹于叶片背面，通过气孔进入叶片，并定位于叶肉细胞层——这是光合作用的主要发生区域。一旦传感器激活，其信号可通过红外摄像设备实时采集。
研究中，团队在白菜植物中嵌入传感器，并分别模拟四种典型胁迫条件：高温、强光、昆虫啃咬及细菌感染。结果显示，所有胁迫均在数分钟内引发过氧化氢上升，约一小时后恢复；水杨酸则在受热、光照或细菌感染时出现延迟响应，而昆虫攻击则几乎不引发水杨酸信号。
Strano指出，这些波动构成了植物内部的“应激语言”。过氧化氢与水杨酸的波动态势可触发一系列下游反应，帮助植物抵御环境挑战。例如，昆虫啃食会诱导植物释放驱虫化学物质，而水杨酸则有助于激活热应激蛋白的合成。
“植物虽然没有大脑或神经系统，但它们演化出复杂而高效的化学通信机制，用来传递诸如‘高温来袭’或‘受昆虫侵袭’等信息。” Strano强调。
这项技术是目前唯一一种无需基因改造即可适配多种植物的实时监测系统。相较传统依赖荧光蛋白的传感器，该方法不依赖特定物种的基因工程，因此具备更广泛的适用性。
研究团队正进一步优化传感器系统，开发可部署在农田中的“哨兵植物”，用于早期预警作物胁迫。例如，在水分不足尚未显现可见损伤前，系统即可发出警报。
“随着全球气候变化加剧与人口持续增长，理解植物应激机制并设计更具抗逆性的作物变得尤为重要。” 斯德哥尔摩大学生物工程系埃莱尼·斯塔夫里尼杜副教授指出。
未来，研究团队还计划开发更多传感器，以覆盖植物体内其他关键信号分子，从而更全面地揭示其对环境刺激的响应机制。
这项研究为农业监测系统提供了全新视角，也为智能农业和精准种植技术的发展奠定了基础。
- 标题：利用纳米传感器复用解码活体植物早期应力信号波
- 作者：Mervin Chun-Yi Ang 等
- 期刊：自然通讯
- DOI：10.1038/s41467-024-47082-1
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