科學(xué)探索：用納米傳感器實(shí)時(shí)感知植物的壓力


圖片來(lái)源：Felice Frankel
麻省理工學(xué)院（MIT）的工程師使用碳納米管制造的傳感器，研發(fā)出一種密切跟蹤植物如何響應(yīng)脅迫的方法，比如傷害、感染和光損傷等。這些裝置被嵌入植物葉片中，基于過(guò)氧化氫信號(hào)波作出報(bào)告。
植物利用過(guò)氧化氫在葉片內(nèi)通信交流，發(fā)送求救信號(hào)，刺激葉片細(xì)胞產(chǎn)生化合物，協(xié)助植物修復(fù)損傷，或者驅(qū)趕昆蟲(chóng)等天敵。新的傳感器能夠使用這些過(guò)氧化氫信號(hào)來(lái)區(qū)分不同脅迫類(lèi)型，以及不同植物物種。
“植物擁有非常精細(xì)復(fù)雜的內(nèi)部通訊形式，我們現(xiàn)在第一次觀測(cè)到。這意味著我們能夠?qū)崟r(shí)看到活體植物的響應(yīng)，看到它如何交流所感受到的特異脅迫類(lèi)型。”MIT的Carbon P. Dubbs化學(xué)工程教授麥克·斯特朗諾（Michael Strano）說(shuō)。
這種傳感器可用來(lái)研究植物如何響應(yīng)不同類(lèi)型的脅迫，有望協(xié)助農(nóng)業(yè)科學(xué)家研發(fā)出提升農(nóng)作物產(chǎn)量的新策略。研究人員在八種不同植物中演示了他們的方法，包括菠菜、草莓植物和芝麻菜，他們還相信該裝置可用在更多地方。
斯特朗諾是該研究的資深作者，研究發(fā)表在《自然·植物》（Nature Plants）雜志上。MIT的研究生泰德里克·托馬斯·薩利姆·劉易（Tedrick Thomas Salim Lew）是論文的主要作者。
嵌入式傳感器
過(guò)去幾年內(nèi)，斯特朗諾的實(shí)驗(yàn)室一直探索工程設(shè)計(jì)“納米仿生植物”的潛力，即將納米材料與植物結(jié)合，賦予植物新的功能，比如發(fā)光或者探測(cè)水分短缺。在這項(xiàng)新研究中，他著手添加能夠報(bào)告植物健康狀況的傳感器。
斯特朗諾先前研發(fā)過(guò)碳納米管傳感器，這些傳感器能夠探測(cè)不同分子，比如過(guò)氧化氫。大約三年前，劉易開(kāi)始努力嘗試將這些裝置嵌入植物葉片中。擬南芥（Arabidopsis thaliana）常用于植物分子研究，這些研究表明，植物可能使用過(guò)氧化氫作為信號(hào)傳導(dǎo)分子，但其確切作用尚不清楚。
劉易使用一種稱(chēng)作脂質(zhì)交換膜滲透（LEEP）的方法將傳感器嵌入植物葉片中。LEEP 是斯特朗諾實(shí)驗(yàn)室?guī)啄昵把邪l(fā)的技術(shù)，用來(lái)設(shè)計(jì)能夠滲透植物細(xì)胞膜的納米顆粒。由于劉易一直鉆研如何嵌入碳納米管傳感器，他有了一次偶然發(fā)現(xiàn)。
他說(shuō)：“我過(guò)去一直訓(xùn)練自己熟悉這項(xiàng)技術(shù)，在訓(xùn)練過(guò)程中，我不小心弄傷了植物。然后看到了過(guò)氧化氫信號(hào)的演變。”


圖片來(lái)源：pixabay
他看到植物受傷之后，過(guò)氧化氫從傷口位點(diǎn)被釋放出來(lái)，產(chǎn)生一種波，沿著葉片擴(kuò)散出去，類(lèi)似于我們大腦中神經(jīng)元傳輸電脈沖信號(hào)。隨著植物釋放出過(guò)氧化氫，就會(huì)觸發(fā)相鄰細(xì)胞內(nèi)鈣的釋放，從而刺激那些細(xì)胞釋放更多的過(guò)氧化氫。
“就像多米諾骨牌一樣，這讓波傳播得比單次釋放的過(guò)氧化氫要遠(yuǎn)得多。”斯特朗諾說(shuō)，“細(xì)胞接收信號(hào)波后，又產(chǎn)生了更多的信號(hào)波，進(jìn)行進(jìn)一步傳播?！?br> 這股過(guò)氧化氫洪流刺激植物細(xì)胞產(chǎn)生稱(chēng)為次生代謝物的分子，比如黃酮類(lèi)化合物或者類(lèi)胡蘿卜素，幫助植物修復(fù)損傷。一些植物還會(huì)分泌其他次生代謝物，用來(lái)驅(qū)趕天敵。這些代謝物質(zhì)往往是可食用植物中我們喜歡味道的來(lái)源，它們只會(huì)在受到脅迫時(shí)產(chǎn)生。
這種新傳感技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于適用許多不同植物物種。傳統(tǒng)上，植物生物學(xué)家在某些可進(jìn)行遺傳調(diào)控的植物中展開(kāi)大量分子生物學(xué)研究，包括擬南芥和煙草植物。而MIT的新方法有潛力適用于任何植物。
斯特朗諾說(shuō)：“在這項(xiàng)研究中，我們能夠快速比較八種植物，而用過(guò)去的工具就無(wú)法做到?！?br> 研究人員測(cè)試了草莓、菠菜、芝麻菜、萵苣、水芹和酢漿草，他們發(fā)現(xiàn)不同的物種似乎產(chǎn)生不同的波形，過(guò)氧化氫隨時(shí)間相關(guān)的濃度變化有著獨(dú)特的規(guī)律。他們假設(shè)，每種植物的響應(yīng)與它應(yīng)對(duì)損傷的能力相關(guān)。每一物種面對(duì)不同脅迫似乎會(huì)做出不同的響應(yīng)，包括機(jī)械損傷、感染、熱損傷和光損傷。
“對(duì)于每種物種，這種波形包含很多信息，甚至更讓人激動(dòng)的是，波形中編碼著給定植物的脅迫類(lèi)型?！彼固乩手Z說(shuō)，“你可以觀察植物在幾乎任何新環(huán)境下經(jīng)歷的實(shí)時(shí)反應(yīng)?！?br> 脅迫反應(yīng)
傳感器產(chǎn)生的近紅外線熒光可以通過(guò)連接到樹(shù)莓派（Raspberry Pi）的小型紅外線攝像機(jī)成像，樹(shù)莓派是價(jià)值35美元、信用卡大小的計(jì)算機(jī)，類(lèi)似于智能手機(jī)內(nèi)的計(jì)算機(jī)。斯特朗諾說(shuō)：“這種非常廉價(jià)的工具可用來(lái)捕捉信號(hào)。”
斯特朗諾說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用包括篩選不同類(lèi)型的植物種類(lèi)，確定其抵抗機(jī)械損傷、光損傷、熱損傷和其他脅迫類(lèi)型的能力。還能用來(lái)研究不同物種如何應(yīng)對(duì)病原體，比如導(dǎo)致柑橘變綠的細(xì)菌，以及讓咖啡得銹病的真菌。
“我感興趣的一件事情就是理解為什么某些類(lèi)型的植物對(duì)這些病原體免疫，而其他植物就不行?！彼^續(xù)說(shuō)。
斯特朗諾還有興趣研究植物如何響應(yīng)城市農(nóng)場(chǎng)的不同生長(zhǎng)環(huán)境，這方面工作是和在 MIT-新加坡研究技術(shù)聯(lián)盟（SMART）顛覆性和可持續(xù)性精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)（ Disruptive and Sustainable Technology for Agricultural Precision ）跨學(xué)科研究小組的同事一起進(jìn)行的。
他們希望解決的一個(gè)問(wèn)題是植物的蔽蔭反應(yīng)（shade avoidance），這是生長(zhǎng)在高密度環(huán)境中的植物的常見(jiàn)反應(yīng)。這類(lèi)植物會(huì)啟動(dòng)一種脅迫反應(yīng)：轉(zhuǎn)移資源讓自己長(zhǎng)得更加高大，而不是將能量投入作物生產(chǎn)。這會(huì)降低作物的整體產(chǎn)量，所以農(nóng)業(yè)研究人員很有興趣工程改造植物，來(lái)避免啟動(dòng)這樣的響應(yīng)機(jī)制。


圖片來(lái)源：pixabay
斯特朗諾說(shuō)：“我們的傳感器能讓我們解釋脅迫信號(hào)，準(zhǔn)確地理解發(fā)生在植物上游和下游中導(dǎo)致蔽陰反應(yīng)的條件和機(jī)制?！?br> 該研究接受新加坡國(guó)家研究基金會(huì)，新加坡科技研究局（A*STAR），以及美國(guó)能源計(jì)算機(jī)科學(xué)研究生獎(jiǎng)學(xué)金項(xiàng)目的資助。
撰文：Anne Trafton
翻譯：阿金
審校：戚譯引
引進(jìn)來(lái)源：MIT News Office
引進(jìn)鏈接：http://news.mit.edu/2020/cnt-nanosensor-smartphone-plant-stress-0415
本文來(lái)自：環(huán)球科學(xué)


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