_ Senzorii de plante ar putea acționa ca sistem de avertizare timpurie pentru fermieri

Folosind o pereche de senzori fabricați din nanotuburi de carbon, cercetătorii de la MIT și Alianța Singapore-MIT pentru Cercetare și Tehnologie (SMART) au descoperit semnale care dezvăluie când planurile se confruntă cu stres. precum căldura, lumina sau atacul insectelor sau bacteriilor.

Senzorii detectează două molecule de semnalizare pe care plantele le folosesc pentru a-și coordona răspunsul la stres: peroxid de hidrogen și acid salicilic (o moleculă similară cu aspirina). Cercetătorii au descoperit că plantele produc aceste molecule la momente diferite pentru fiecare tip de stres, creând modele distinctive care ar putea servi drept sistem de avertizare timpurie.

Fermierii ar putea folosi acești senzori pentru a monitoriza potențialele amenințări la adresa culturilor lor, permițând ei să intervină înainte ca recoltele să se piardă, spun cercetătorii.

„Ceea ce am descoperit este că acești doi senzori împreună pot spune utilizatorului exact ce fel de stres suferă planta. În interiorul plantei, în realitate timpul, obțineți modificări chimice care cresc și scad și fiecare servește ca amprentă a unui stres diferit”, spune Michael Strano, profesor de inginerie chimică Carbon P. Dubbs la MIT și unul dintre autorii principali ai studiului.

Sarojam Rajani, cercetător principal principal la Temasek Life Sciences Laboratory din Singapore, este, de asemenea, autor principal al lucrării, care este publicată în Nature Communications. Autorii principali ai lucrării sunt Mervin Chun-Yi Ang, director științific asociat la SMART și Jolly Madathiparambil Saju, ofițer de cercetare la Temasek Life Sciences Laboratory.

Plantele răspund la diferite tipuri de stres în moduri diferite. În 2020, laboratorul lui Strano a dezvoltat un senzor care poate detecta peroxidul de hidrogen, pe care celulele plantelor îl folosesc ca semnal de primejdie atunci când sunt atacate de insecte sau se confruntă cu alte stres, cum ar fi infecția bacteriană sau prea multă lumină.

Aceste Senzorii constau din nanotuburi de carbon minuscule învelite în polimeri. Prin schimbarea structurii tridimensionale a polimerilor, senzorii pot fi adaptați pentru a detecta diferite molecule, emitând un semnal fluorescent atunci când ținta este prezentă. Pentru noul studiu, cercetătorii au folosit această abordare pentru a dezvolta un senzor care poate detecta acidul salicilic, o moleculă care este implicată în reglarea multor aspecte ale creșterii plantelor, dezvoltării și răspunsului la stres.

Pentru a încorpora noul studiu. nanosenzorii în plante, cercetătorii le dizolvă într-o soluție, care este apoi aplicată pe partea inferioară a frunzei unei plante. Senzorii pot pătrunde în frunze prin pori numiți stomat și își pot stabili reședința în mezofilă - stratul în care are loc cea mai mare parte a fotosintezei. Când un senzor este activat, semnalul poate fi detectat cu ușurință folosind o cameră cu infraroșu.

În acest studiu, cercetătorii au aplicat senzorii pentru peroxid de hidrogen și acid salicilic la pak choi, o legumă cu frunze verzi, cunoscută și sub numele de bok choy sau varză chinezească. Apoi, au expus plantele la patru tipuri diferite de stres - căldură, lumină intensă, mușcături de insecte și infecție bacteriană - și au descoperit că plantele au generat răspunsuri distincte la fiecare tip de stres.

Fiecare tip de stres. a determinat plantele să producă peroxid de hidrogen în câteva minute, atingând nivelurile maxime în decurs de o oră și apoi revenind la normal. Căldura, lumina și infecția bacteriană au provocat toate producția de acid salicilic în decurs de două ore de la stimul, dar în momente diferite. Înțepăturile de insecte nu au stimulat deloc producția de acid salicilic.

Descoperirile reprezintă un „limbaj” pe care plantele îl folosesc pentru a-și coordona răspunsul la stres, spune Strano. Valurile de peroxid de hidrogen și acid salicilic declanșează răspunsuri suplimentare care ajută o plantă să supraviețuiască indiferent de tipul de stres cu care se confruntă.

Pentru un stres precum o mușcătură de insectă, acest răspuns include producerea de compuși chimici pe care insectele nu-i plac, alungându-le de plantă. Acidul salicilic și peroxidul de hidrogen pot activa, de asemenea, căile de semnalizare care activează producția de proteine ​​care ajută plantele să răspundă la căldură și la alte stresuri.

„Plantele nu au creier, nu au un centru central. sistem nervos, dar au evoluat pentru a trimite diferite amestecuri de substanțe chimice și așa comunică restului plantei că devine prea fierbinte sau că atacă un prădător de insecte”, spune Strano.

Această tehnică. este primul care poate obține informații în timp real de la o plantă și singurul care poate fi aplicat la aproape orice plantă. Majoritatea senzorilor existenți constau din proteine ​​fluorescente care trebuie modificate genetic într-un anumit tip de plantă, cum ar fi tutunul sau planta experimentală comună Arabidopsis thaliana, și nu pot fi aplicate universal.

Cercetătorii se adaptează acum. acești senzori pentru a crea plante santinelă care ar putea fi monitorizate pentru a oferi fermierilor un avertisment mult mai devreme atunci când culturile lor sunt sub stres. Când plantele nu au suficientă apă, de exemplu, în cele din urmă încep să devină maronii, dar în momentul în care se întâmplă acest lucru, de obicei este prea târziu pentru a interveni.

„Odată cu schimbările climatice și creșterea populației, există este o mare nevoie de a înțelege mai bine modul în care plantele răspund și se aclimatizează la stres și, de asemenea, pentru a proiecta plantele care sunt mai tolerante la stres.

"Lucrarea dezvăluie interacțiunea dintre H2O2, unul dintre cele mai importante oxigen reactive. specii din plante și hormonul acid salicilic, care este implicat pe scară largă în răspunsurile la stres ale plantelor, contribuind prin urmare la înțelegerea mecanică a semnalizării stresului plantelor”, spune Eleni Stavrinidou, profesor asociat senior de bioinginerie la Universitatea Linköping din Suedia, care a fost nu este implicată în cercetare.

Această tehnologie ar putea fi, de asemenea, utilizată pentru a dezvolta sisteme care nu numai că simt când plantele sunt în pericol, ci ar declanșa și un răspuns, cum ar fi modificarea temperaturii sau a cantității de lumină dintr-o seră. .

„Încorporăm această tehnologie în diagnosticare, care poate oferi fermierilor informații în timp real mult mai rapid decât orice alt senzor și suficient de rapid pentru ca aceștia să intervină”, spune Strano.

p>Cercetătorii dezvoltă, de asemenea, senzori care ar putea fi utilizați pentru a detecta alte molecule de semnalizare a plantelor, în speranța de a afla mai multe despre răspunsurile lor la stres și alți stimuli.

Această poveste este republicată prin amabilitatea MIT News (web). .mit.edu/newsoffice/), un site popular care acoperă știri despre cercetarea, inovarea și predarea MIT.

(Fluierul)