植物传感器可充当农田预警系统
由麻省理工学院（MIT）与新加坡麻省理工研究与技术联盟（SMART）的研究团队开发的一项新技术，借助碳纳米管传感器，实现了对植物在遭遇环境压力时发出的生化信号的实时检测。
这些纳米传感器能够识别植物体内两种关键信号分子：过氧化氢（Hydrogen Peroxide）和水杨酸（Salicylic Acid），它们在植物应对昆虫侵害、细菌感染、强光或高温等不同压力源时发挥关键作用。
研究团队发现，植物在不同压力刺激下会生成这些信号分子，并在特定的时间窗口内形成独特的时间模式。这种模式可作为早期预警系统，为农业管理提供实时干预的依据。
“通过结合这两种传感器，用户可以准确判断植物所承受的应力类型。传感器能够实时捕捉内部化学变化的动态，每一次波动都构成一种应激的‘指纹’。”MIT化学工程教授Michael Strano表示，他是该研究的高级作者之一。
该研究由SMART副科学主任Mervin Chun-Yi Ang与淡马锡生命科学实验室的研究员Jolly Madathiparambil Saju共同主导，已发表在《自然通讯》期刊。
研究团队通过将传感器溶液涂抹于植物叶片背面，使其通过气孔进入叶片组织，嵌入间叶膜层——这是光合作用的主要场所。当传感器与目标分子结合时，会通过红外摄像设备捕捉到荧光信号。
为了验证这一技术，研究人员在白菜植株中植入了过氧化氢与水杨酸双传感器，并分别模拟了四种不同压力条件：高温、强光、昆虫叮咬和细菌感染。
实验表明，过氧化氢在所有压力条件下都会迅速上升，通常在数分钟内达到峰值。而水杨酸则在不同压力下于一到两小时内出现响应。值得注意的是，昆虫叮咬并未引发水杨酸的显著升高。
Strano指出，这些信号波的出现，揭示了植物如何通过化学信号协调自身应激反应。例如，昆虫攻击会促使植物释放驱虫化学物质，而水杨酸和过氧化氢则能激活防御性蛋白质的生成，帮助植物抵御热应激等环境挑战。
“植物没有大脑，也没有中枢神经系统，但它们演化出一套复杂的化学语言，用于传递‘气温过高’或‘正在遭受虫害’等信息。”Strano补充道。
这项技术是首个可嵌入活体植物并适用于多种植物种类的实时监测系统。相比之下，目前市面上的荧光蛋白传感器通常只能通过基因改造适用于特定植物，如烟草或拟南芥。
研究人员下一步计划开发“哨兵植物”系统，使其能够在农作物承受压力的早期阶段发出预警。例如，在植物缺水初期，其叶片会逐渐变褐，但此时往往已难以补救。
“随着全球气候变化与人口增长带来的农业压力日益加剧，理解植物如何适应应激环境并开发更具抗逆性的作物，变得至关重要。”Strano表示。
瑞典林雪平大学生物工程副教授Eleni Stavrinidou评价称，这项研究揭示了水杨酸与过氧化氢在植物应激机制中的重要作用。
研究团队还计划拓展传感器技术，以识别更多植物内源性信号分子，从而进一步揭示植物在不同环境刺激下的动态响应。
此外，未来这项技术有望集成至自动化农业系统中，不仅检测植物健康状况，还能联动环境控制系统，如调节温室温度或光照强度。
“我们正在打造一个能为农民提供比现有技术更快、更精确的诊断平台。”Strano补充道。
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
来源：本文由麻省理工学院提供，并转载自MIT News，该网站报道麻省理工学院在研究、创新及教学方面的重要动态。