Czujniki roślin mogą służyć jako system wczesnego ostrzegania dla rolników Wiadomości MIT

Korzystając z pary czujników wykonanych z nanorurek węglowych, naukowcy z MIT i Singapursko-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) wykryli sygnały, które ujawniają, kiedy plany są narażone na czynniki stresogenne, takie jak ciepło, światło lub atak owadów lub bakterii.

Czujniki wykrywają dwie cząsteczki sygnalizacyjne, których rośliny używają do koordynowania swojej reakcji na stres: nadtlenek wodoru i kwas salicylowy (cząsteczka podobna do aspiryny). Naukowcy odkryli, że rośliny wytwarzają te cząsteczki w różnych momentach dla każdego rodzaju stresu, tworząc odrębne wzorce, które mogą służyć jako system wczesnego ostrzegania.

Naukowcy twierdzą, że rolnicy mogą wykorzystywać te czujniki do monitorowania potencjalnych zagrożeń dla swoich upraw, co pozwoli im interweniować, zanim zbiory zostaną utracone.

„Odkryliśmy, że te dwa czujniki razem mogą dokładnie poinformować użytkownika, jakiemu rodzajowi stresu podlega roślina” – mówi Michael Strano, profesor inżynierii chemicznej Carbon B. Dobbs w MIT i jeden z głównych badaczy w zakładzie w czasie rzeczywistym można zaobserwować zmiany wzrostu i spadku substancji chemicznych, a każdy z nich jest oznaką innego ciśnienia” – twierdzą autorzy badania.

Sarojam Rajani, starszy główny badacz w Temasek Life Sciences Laboratory w Singapurze, jest także jednym ze starszych autorów badania. papierktóry pojawia się w Komunikacja przyrodnicza. Głównymi autorami tego artykułu są Mervyn Chun-Yi Ang, zastępca dyrektora naukowego w SMART i Julie Madathiparambil Saju, pracownik naukowy w Temasek Life Sciences Laboratory.

Czujnik napięcia

Rośliny reagują na różne rodzaje stresu w różny sposób. W 2020 roku laboratorium Strano opracowało czujnik wykrywający nadtlenek wodoru, który komórki roślinne wykorzystują jako sygnał alarmowy, gdy są atakowane przez owady lub w obliczu innych czynników stresogennych, takich jak infekcja bakteryjna lub zbyt dużo światła.

Czujniki te składają się z małych nanorurek węglowych owiniętych polimerami. Zmieniając trójwymiarową strukturę polimerów, można zaprojektować czujniki do wykrywania różnych cząsteczek, dając sygnał fluorescencyjny, gdy cel jest obecny. W nowym badaniu naukowcy wykorzystali to podejście do opracowania czujnika wykrywającego kwas salicylowy – cząsteczkę biorącą udział w regulacji wielu aspektów wzrostu i rozwoju roślin oraz reakcji na stres.

Aby włączyć nanosensory do roślin, badacze rozpuszczają je w roztworze, który następnie nakłada się na spód liścia rośliny. Czujniki mogą przedostawać się do liści przez pory zwane aparatami szparkowymi i osiedlać się w mezofilu – warstwie, w której zachodzi większość fotosyntezy. Gdy czujnik jest aktywowany, sygnał można łatwo wykryć za pomocą kamery na podczerwień.

W tym badaniu naukowcy wykorzystali czujniki nadtlenku wodoru i kwasu salicylowego w pak choy, zielonym warzywie liściastym znanym również jako bok choy lub kapusta pekińska. Następnie wystawili rośliny na cztery różne rodzaje stresu – ciepło, intensywne światło, ukąszenia owadów i infekcję bakteryjną – i odkryli, że rośliny generowały odmienne reakcje na każdy rodzaj stresu.

Każdy rodzaj stresu powodował, że rośliny wytwarzały nadtlenek wodoru w ciągu kilku minut, osiągając maksymalny poziom w ciągu godziny, a następnie powracając do normy. Ciepło, światło i infekcja bakteryjna wywołały wytwarzanie kwasu salicylowego w ciągu 2 godzin od stymulacji, ale w różnych punktach czasowych. Ukąszenia owadów w ogóle nie stymulowały produkcji kwasu salicylowego.

Strano twierdzi, że odkrycia reprezentują „język”, którego rośliny używają do koordynowania swojej reakcji na stres. Fale nadtlenku wodoru i kwasu salicylowego wyzwalają dodatkowe reakcje, które pomagają roślinie przetrwać każdy rodzaj stresu, przed którym staje.

W przypadku stresu, takiego jak ukąszenie owada, reakcja ta polega na wytworzeniu związków chemicznych, których owady nie lubią, i odstraszeniu ich od rośliny. Kwas salicylowy i nadtlenek wodoru mogą również aktywować szlaki sygnałowe wytwarzające białka, które pomagają roślinom reagować na ciepło i inne stresy.

„Rośliny nie mają mózgu ani centralnego układu nerwowego, ale ewoluowały, aby wysyłać inną mieszaninę substancji chemicznych i w ten sposób komunikują resztę rośliny, że robi się za gorąco lub drapieżny owad”. „Atakuje” – mówi Strano.

Wczesne ostrzeżenie

Technologia ta jest pierwszą, która pozwala uzyskać informacje z zakładu w czasie rzeczywistym i jedyną, którą można zastosować w niemal każdym zakładzie. Większość istniejących czujników składa się z białek fluorescencyjnych, które należy zmodyfikować genetycznie pod kątem konkretnego gatunku rośliny, np. tytoniu lub zwykłej rośliny doświadczalnej. Roślina Arabidopsis thalianai nie mogą być stosowane powszechnie.

Naukowcy dostosowują obecnie te czujniki, aby stworzyć rośliny wskaźnikowe, które można monitorować, aby wcześnie ostrzegać rolników, gdy ich uprawy są narażone na stres. Na przykład, gdy rośliny nie mają wystarczającej ilości wody, w końcu zaczynają brązowieć, ale zanim to nastąpi, zwykle jest już za późno na interwencję.

„Wraz ze zmianami klimatycznymi i wzrostem populacji istnieje ogromna potrzeba lepszego zrozumienia, w jaki sposób rośliny reagują na stres i dostosowują się do niego, a także zaprojektowania roślin bardziej odpornych na stres. Prace ujawniają wzajemne oddziaływanie H₂Hej₂„Jedna z najważniejszych reaktywnych form tlenu w roślinach, hormon kwasu salicylowego, jest szeroko zaangażowana w reakcje roślin na stres, a tym samym przyczynia się do mechanistycznego zrozumienia sygnalizacji stresu u roślin” – mówi Eleni Stavrinidou, starszy profesor bioinżynierii. na Uniwersytecie Linköping w Szwecji, który nie był zaangażowany w badania.

Technologię tę można również wykorzystać do opracowania systemów, które nie tylko wyczuwają, kiedy rośliny znajdują się w niebezpieczeństwie, ale mogą również wyzwalać reakcję, taką jak zmiana temperatury lub ilości światła w szklarni.

„Wprowadzamy tę technologię do diagnostyki, która może dostarczać rolnikom informacje w czasie rzeczywistym znacznie szybciej niż jakikolwiek inny czujnik i wystarczająco szybko, aby umożliwić im interwencję” – mówi Strano.

Naukowcy pracują także nad opracowaniem czujników, które można wykorzystać do wykrywania innych cząsteczek sygnalizacyjnych roślin, w nadziei, że dowiedzą się więcej o ich reakcjach na stres i inne bodźce.

Badania zostały sfinansowane przez Narodową Fundację Badawczą Singapuru oraz Narodowy Instytut Żywności i Rolnictwa Departamentu Rolnictwa Stanów Zjednoczonych.