麻省理工学院的工程师已经开发出一种方法，可以使用由碳纳米管制成的传感器来密切跟踪植物如何应对伤害、感染和光损伤等压力。这些传感器可以嵌入植物叶子中，在那里它们报告过氧化氢信号波。
植物使用过氧化氢在叶子内进行交流，发出求救信号，刺激叶细胞产生化合物，帮助它们修复损伤或抵御昆虫等捕食者。新传感器可以使用这些过氧化氢信号来区分不同类型的压力以及不同种类的植物。
“植物有一种非常复杂的内部交流形式，我们现在可以第一次观察到。这意味着我们可以实时看到活植物的反应，传达它正在经历的特定类型的压力，”迈克尔说Strano，麻省理工学院化学工程教授 Carbon P. Dubbs。
这种传感器可用于研究植物如何应对不同类型的压力，有可能帮助农业科学家制定提高作物产量的新策略。研究人员在八种不同的植物物种中展示了他们的方法，包括菠菜、草莓植物和芝麻菜，他们相信它可以在更多植物中发挥作用。
Strano 是该研究的资深作者，该研究今天出现在Nature Plants 上。麻省理工学院研究生 Tedrick Thomas Salim Lew 是该论文的主要作者。
嵌入式传感器
在过去的几年里，斯特拉诺的实验室一直在探索工程“纳米植物”的潜力——这种植物结合了纳米材料，赋予植物新的功能，例如发光或检测缺水情况。在这项新研究中，他着手整合传感器，以报告植物的健康状况。
Strano 之前曾开发过碳纳米管传感器，可以检测各种分子，包括过氧化氢。大约三年前，Lew 开始尝试将这些传感器整合到植物叶子中。常用于植物分子研究的拟南芥研究表明，植物可能使用过氧化氢作为信号分子，但其确切作用尚不清楚。
Lew 使用一种称为脂质交换包膜渗透 (LEEP) 的方法将传感器整合到植物叶子中。Strano 实验室几年前开发的 LEEP 允许设计可以穿透植物细胞膜的纳米粒子。在 Lew 致力于嵌入碳纳米管传感器时，他有了一个意外发现。
“我正在训练自己熟悉这项技术，在训练过程中我不小心在植物上造成了伤口。然后我看到了过氧化氢信号的这种演变，”他说。
他看到在一片叶子受伤后，过氧化氢从伤口部位释放出来，并产生一个波，沿着叶子传播，类似于我们大脑中神经元传递电脉冲的方式。当植物细胞释放过氧化氢时，它会触发相邻细胞内的钙释放，从而刺激这些细胞释放更多的过氧化氢。
“就像多米诺骨牌连续下落一样，这会产生比单独使用过氧化氢粉扑传播得更远的波，”斯特拉诺说。“波本身由接收和传播它的细胞提供动力。”
大量过氧化氢刺激植物细胞产生称为次级代谢物的分子，如类黄酮或类胡萝卜素，帮助它们修复损伤。一些植物还产生其他次生代谢物，可以分泌这些代谢物来抵御捕食者。这些代谢物通常是我们在食用植物中所需的食物风味的来源，它们仅在压力下产生。
新传感技术的一个关键优势是它可以用于许多不同的植物物种。传统上，植物生物学家在某些适合基因操作的植物中进行了大量分子生物学研究，包括拟南芥和烟草植物。然而，新的 MIT 方法可能适用于任何工厂。
“在这项研究中，我们能够快速比较八种植物，而使用旧工具则无法做到这一点，”斯特拉诺说。
研究人员测试了草莓植物、菠菜、芝麻菜、生菜、豆瓣菜和酸模，发现不同的物种似乎会产生不同的波形——通过绘制过氧化氢浓度随时间变化而产生的独特形状。他们假设每株植物的反应与其抵消损害的能力有关。每个物种似乎对不同类型的压力也有不同的反应，包括机械损伤、感染、热或光损伤。
“这个波形包含每个物种的大量信息，更令人兴奋的是，给定植物的压力类型被编码在这个波形中，”斯特拉诺说。“您可以查看植物在几乎任何新环境中所经历的实时响应。”
压力反应
传感器产生的近红外荧光可以使用连接到树莓派的小型红外摄像头进行成像，树莓派是一款价值 35 美元的信用卡大小的计算机，类似于智能手机中的计算机。“可以使用非常便宜的仪器来捕获信号，”斯特拉诺说。
Strano 说，这项技术的应用包括筛选不同种类的植物，以了解它们抵抗机械损伤、光、热和其他形式压力的能力。它还可用于研究不同物种对病原体的反应，例如导致柑橘绿化的细菌和导致咖啡锈病的真菌。
“我感兴趣的一件事是了解为什么某些类型的植物对这些病原体表现出一定的免疫力，而另一些则没有，”他说。
麻省理工学院在新加坡的研究企业——麻省理工学院-新加坡研究与技术联盟 (SMART) 的颠覆性和可持续农业精准技术跨学科研究小组的 Strano 和他的同事也有兴趣研究植物如何应对不同的生长条件城市农场。
他们希望解决的一个问题是避荫，这在许多高密度生长的植物中都会出现。这些植物会启动一种压力反应，将它们的资源转移到长高上，而不是将能量用于生产作物。这会降低整体作物产量，因此农业研究人员对工程植物感兴趣，因此不会开启这种反应。
“我们的传感器使我们能够拦截该压力信号，并准确了解植物上游和下游导致避荫的条件和机制，”斯特拉诺说。