植物传感器可用于农作物的早期预警系统
麻省理工学院与新加坡麻省理工研究与技术联盟（SMART）的研究人员开发出一种创新的植物监测系统，利用碳纳米管传感器检测植物在热、光、昆虫或细菌胁迫下的早期反应。这一系统有望帮助农民在作物损失前及时采取干预措施。
研究人员开发的传感器可检测植物内部的两种关键信号分子——过氧化氢和水杨酸。这些分子在不同类型的应激条件下呈现出独特的动态变化，能够作为早期预警信号。
过氧化氢是植物在遭受机械损伤、昆虫侵害或强烈光照等应激条件下释放的化学信号，而水杨酸则在热应激、光胁迫或细菌感染后产生。两种分子的协同变化，构成了植物对胁迫的“分子指纹”，为识别具体胁迫类型提供了关键线索。
“通过结合这两种传感器，我们可以准确判断植物正在经历何种类型的胁迫。”麻省理工学院化学工程教授Michael Strano表示，“在植物内部，这些分子浓度的动态变化能通过红外成像技术实时监测，为农民提供即时反馈。”
研究团队在《自然通讯》上发表了相关成果。论文的共同通讯作者包括Strano教授、新加坡淡马锡生命科学实验室的Sarojam Rajani教授，主要作者为SMART副科学主任Mervin Chun-Yi Ang及淡马锡生命科学实验室的研究官Jolly Madathiparambil Saju。
碳纳米管传感器由嵌入聚合物矩阵中的纳米结构组成。当目标分子存在时，聚合物结构发生改变，从而影响纳米管的荧光信号。研究人员通过调整聚合物的三维构型，使传感器具备检测不同分子的能力。在最新研究中，他们基于这一原理开发了针对水杨酸的传感器。
为了将传感器部署至植物体内，研究人员将纳米传感器溶液涂抹在叶片背面，通过气孔渗透至叶肉组织，最终定位于进行光合作用的主要区域。红外相机可捕捉到传感器响应的荧光信号，从而实现无创、实时的监测。
在实验中，研究人员使用该系统监测白菜（Brassica rapa）对多种应激条件的反应。结果显示，植物在遭受昆虫啃食后迅速释放过氧化氢，而水杨酸水平几乎没有变化。相反，在热、强光或细菌感染条件下，水杨酸的产生明显延迟，表现出与过氧化氢不同的时间特征。
这些信号模式揭示了植物内部用于协调胁迫响应的“分子语言”。“植物虽然没有中枢神经系统，却演化出复杂的化学信号网络，以应对环境变化。”Strano教授解释道，“过氧化氢和水杨酸的波形变化，是植物内部的通信机制，能触发防御反应，提高抗逆性。”
当前的植物传感器技术大多依赖基因改造的荧光蛋白，仅适用于特定植物种类，如烟草或拟南芥。而该研究提出的纳米传感器系统具备通用性，几乎适用于任何植物物种。
研究人员正致力于将这一技术应用于农业监测，例如在温室中部署“哨兵植物”，以提前预警干旱、病虫害或其他胁迫。例如，植物缺水通常在叶片变褐后才显现，但此时已难以挽回。而纳米传感器可在症状出现前几小时甚至几分钟内提供预警。
“随着全球气候变化加剧和农业人口增长，深入了解植物的应激机制，是培育更具抗性的作物的关键。”Strano说。研究人员还计划拓展该系统，使其不仅用于监测，还能触发自动环境调控，如调整温控或光照强度。
这项研究由麻省理工学院提供支持，并通过其新闻平台（web.mit.edu/news）对外发布。该报道详述了麻省理工学院在传感器技术、农业科学和环境监测领域的最新进展。
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/s41467-024-41467-1