植物纳米传感器为农业预警系统带来突破
麻省理工学院（MIT）与新加坡麻省理工研究与技术联盟（SMART）的研究团队近日开发出一种基于碳纳米管的纳米传感器系统，可实时检测植物在遭受热、光或虫害等压力时产生的化学信号。这一创新技术为精准农业提供了潜在的早期预警机制。
揭示植物内部的“应激语言”
研究人员成功设计出能够识别过氧化氢与水杨酸的纳米传感器，这两种分子在植物面对不同压力源时呈现出独特的释放模式。通过观察其浓度变化的时间序列，科研人员可确定植物所承受的特定类型压力，从而为农民提供及时的干预窗口。
“这两种信号分子如同植物的‘指纹’，帮助我们解码植物内部的应激语言，”MIT化学工程Carbon P. Dubbs教授Michael Strano表示，他是该研究的高级作者之一。
研究结果已发表于《自然通讯》（Nature Communications），由新加坡淡马锡生命科学实验室的Sarojam Rajani高级研究员与SMART副科学主任Mervin Chun-Yi Ang共同主导。
传感器的工作原理与应用
这些纳米传感器由包裹在聚合物中的微型碳纳米管组成，其三维结构可根据目标分子进行定制化设计。当特定分子存在时，传感器会发出可检测的荧光信号。
研究人员将传感器溶解于溶液后，涂覆在植物叶片背面，借助气孔进入叶肉层。该层是植物光合作用的主要场所，也是传感器能够稳定寄存并持续监测信号的理想位置。
通过红外摄像设备，研究人员能够捕捉到传感器在不同压力下的响应。例如，昆虫叮咬主要引发过氧化氢的快速上升，而水杨酸则在热、强光或细菌感染刺激下表现出延迟性波动。
在实验中，研究团队使用这种传感器系统对白菜（Brassica rapa）进行了测试。结果表明，植物在遭遇四种不同压力源（热、强光、虫害与细菌）时，其内部化学信号的变化模式各具特色。
技术优势与未来潜力
这项技术是目前唯一一种可用于实时监测植物应激反应的通用型方法。相比之下，大多数现有方法依赖于基因工程化的荧光蛋白，仅适用于少数特定植物，如烟草或拟南芥。
研究团队正致力于进一步优化该系统，将其应用于“哨兵植物”——一种可以被部署在田间以提前预警农作物压力状态的植物。
“当作物面临水分不足时，叶子通常会变褐，但此时往往已错过最佳干预时机，”Strano表示，“我们的目标是提前识别这些信号，为农民争取更多时间采取措施。”
这项研究成果不仅有助于理解植物如何适应环境压力，也为未来培育更具抗逆性的作物提供了理论基础。
瑞典林雪平大学（Linköping University）生物工程系高级副教授埃莱尼·斯塔夫里尼杜（Eleni Stafylidi）评价称：“这项研究揭示了植物中广泛参与应激反应的激素机制，例如水杨酸与过氧化氢的作用。”
从监测到响应：未来的发展方向
研究团队还设想将传感器技术与自动化系统集成，使得监测系统不仅能识别植物应激信号，还能直接触发环境响应，例如调节温室内的温度或光照强度。
“我们正朝着构建一种诊断系统的目标前进，它将比现有传感器更快更准确地为农民提供信息，帮助他们及时采取行动，”Strano补充道。
此外，团队正在拓展传感器的功能，开发能够识别其他关键信号分子的版本，从而更全面地解析植物在面对各种环境挑战时的生理反应。
相关文献与来源信息
更多信息详见：Mervin Chun-Yi Ang 等人的研究论文《利用纳米传感器复用解码活体植物早期应力信号波》（Multiplexed decoding of early stress signal waves in living plants using nanosensors），发表于《自然通讯》（Nature Communications，2024年）。DOI: 10.1038/s41467-024-47082-1
本研究由麻省理工学院（MIT）提供支持，原文转载自MIT新闻网站（web.mit.edu/newsoffice），该平台专注于报道MIT在研究、教学与创新领域的进展。