植物传感器可作为农田中的早期预警系统
麻省理工学院与新加坡麻省理工研究与技术联盟（SMART）的研究团队开发出一种基于碳纳米管的传感器系统，能够实时监测植物在不同应激条件下的内部化学信号变化。
该系统可检测两种关键信号分子——过氧化氢和水杨酸。这两种分子在植物面对环境胁迫时会以特定的时间和强度组合出现，形成可识别的“化学指纹”，从而为农业提供早期预警。
研究团队指出，农民可以通过部署这类传感器，及时发现作物遭受的潜在威胁，如虫害、高温、强光或细菌感染，从而在作物损失前采取干预措施。
“我们发现，这两种传感器配合使用，可以准确揭示植物所承受的应激类型。通过观察内部化学信号的波动，就能识别植物面临的具体压力类型，”麻省理工学院化学工程Carbon P. Dubbs教授、同时也是本研究的高级作者之一的Michael Strano表示。
该研究由Sarojam Rajani教授与Michael Strano共同指导，研究成果发表在《自然通讯》期刊上。论文的第一作者是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。
植物对各种外界干扰的反应机制复杂多样。2020年，Strano团队曾开发出一种可检测过氧化氢的传感器，这种分子在植物遭受虫害或细菌感染时会作为应激信号被释放。
这些传感器由聚合物包裹的碳纳米管构成，通过调整聚合物的结构，可以定制化地响应不同分子的存在，并产生荧光信号。在此次研究中，团队开发出一种新传感器，用于检测水杨酸，这是一类在植物生长、发育以及应激响应中起关键作用的分子。
研究人员将纳米传感器溶解在溶液中，通过叶片背面涂抹的方式将其送入植物组织。传感器随后通过气孔进入叶片，并定位于叶肉细胞层——这是光合作用主要发生的区域。当被激活后，这些传感器可使用红外相机进行非破坏性检测。
在实验中，研究人员将传感器应用于白菜植物，并模拟了四种常见应激条件：高温、强光、虫害和细菌感染。结果表明，植物在遭遇不同应激时，会按照特定的时间顺序释放过氧化氢和水杨酸，形成可区分的信号模式。
虫害会迅速激发过氧化氢的释放，但几乎不引发水杨酸的反应；而热胁迫或强光则在数小时内引发水杨酸的波动。这一发现表明，植物在应激过程中存在一种“内部通讯机制”。
Strano指出，这些分子波形不仅反映了植物的应激状态，还会触发进一步的生理反应，帮助植物适应并抵抗逆境。例如，虫害会诱导植物产生排斥性化学物质，水杨酸与过氧化氢还能激活特定蛋白的表达，以应对高温等压力。
“植物没有大脑或神经系统，但它们演化出了复杂的化学信号系统，用来通知自身其他部位当前环境发生了变化，比如过热或正遭受虫害，”Strano解释。
与当前主流的荧光蛋白传感器不同，这项技术几乎可以适用于任何植物种类，无需进行基因改造，这使得其在农业生产中具备广泛适用性。
研究团队正在进一步优化传感器，使其能够在农田中作为“预警哨兵”使用。例如，当作物缺水时，其叶片会逐渐变褐，而到这一阶段往往已错过最佳干预时机。新型传感器则能在早期识别此类问题。
“面对气候变化和人口增长带来的挑战，我们需要更深入地了解植物的应激机制，并开发出更具抗逆性的作物，”Strano补充道。
瑞典林雪平大学的生物工程副教授埃莱尼·斯塔夫里尼杜评论道：“这项研究揭示了水杨酸和过氧化氢在植物应激反应中的重要作用，有助于我们更系统地理解植物的信号传导机制。”
此外，该技术未来还可用于集成智能农业系统，例如自动调节温室的光照或温度，以响应植物的实际需求。
“我们正将这项技术整合到诊断平台中，让农民能够比传统方式更早获取准确信息，并迅速采取行动。”Strano表示。
研究团队还计划开发更多传感器，用于检测其他植物信号分子，以全面解析植物对各种环境刺激的响应机制。
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》，自然通讯（2024年）。DOI：10.1038/s41467-024-47082-1
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