植物传感器可以作为农民的预警系统

麻省理工学院和新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟(SMART)的研究人员使用一对由碳纳米管制成的传感器发现了信号，这些信号可以揭示计划何时经历热、光或昆虫或细菌攻击等压力。

传感器检测植物用来协调其对压力的反应的两种信号分子：过氧化氢和水杨酸(类似于阿司匹林的分子)。研究人员发现，植物在不同的时间点针对每种类型的压力产生这些分子，创造出可以作为早期预警系统的独特模式。

研究人员表示，农民可以使用这些传感器来监测农作物的潜在威胁，从而在农作物损失之前进行干预。

“我们发现，这两个传感器结合在一起可以准确地告诉用户植物正在承受什么样的压力。在植物内部，你会实时看到上升和下降的化学变化，每一个都充当了植物的指纹。麻省理工学院化学工程系CarbonP.Dubbs教授、该研究的资深作者之一迈克尔·斯特拉诺(MichaelStrano)说。

新加坡淡马锡生命科学实验室高级首席研究员SarojamRajani也是该论文的资深作者，该论文发表在《自然通讯》杂志上。该论文的主要作者是SMART科学副主任MervinChun-YiAng和淡马锡生命科学实验室研究人员JollyMadathiparambilSaju。

感知压力

植物以不同的方式应对不同类型的胁迫。2020年，斯特拉诺的实验室开发了一种可以检测过氧化氢的传感器，当植物细胞受到昆虫攻击或遇到细菌感染或过多光线等其他压力时，植物细胞会利用过氧化氢作为求救信号。

这些传感器由包裹在聚合物中的微小碳纳米管组成。通过改变聚合物的三维结构，传感器可以被定制来检测不同的分子，当目标存在时发出荧光信号。在这项新研究中，研究人员利用这种方法开发了一种可以检测水杨酸的传感器，水杨酸是一种参与调节植物生长、发育和应激反应许多方面的分子。

为了将纳米传感器嵌入植物中，研究人员将它们溶解在溶液中，然后将其涂在植物叶子的背面。传感器可以通过称为气孔的孔隙进入叶子，并驻留在叶肉——大多数光合作用发生的层。当传感器被激活时，可以使用红外摄像机轻松检测信号。

叶子中的一对传感器由左侧的过氧化氢传感器和右侧的水杨酸传感器组成。当植物受伤时，就像在这种情况下，左边显示出一个移动波形作为响应，但水杨酸的产生很少。这是受伤的压力特征。相反，当植物受到过多的热或光或细菌感染的压力时，左侧的过氧化氢波会伴随着不同的水杨酸波形。图片来源：《自然通讯》(2024)。DOI：10.1038/s41467-024-47082-1

在这项研究中，研究人员将过氧化氢和水杨酸传感器应用于小白菜，小白菜是一种绿叶蔬菜，也称为白菜或大白菜。然后，他们将植物暴露在四种不同类型的胁迫下——热、强光、昆虫叮咬和细菌感染——并发现植物对每种类型的胁迫产生独特的反应。

每种类型的胁迫都会导致植物在几分钟内产生过氧化氢，在一小时内达到最高水平，然后恢复正常。热、光和细菌感染都会在刺激后两小时内引起水杨酸的产生，但时间点不同。昆虫叮咬根本不会刺激水杨酸的产生。

斯特拉诺说，这些发现代表了植物用来协调其对压力的反应的“语言”。过氧化氢和水杨酸波会引发额外的反应，帮助植物在面临任何类型的压力时生存下来。

对于昆虫叮咬等应激，这种反应包括产生昆虫不喜欢的化合物，将它们赶离植物。水杨酸和过氧化氢还可以激活信号通路，从而启动蛋白质的产生，帮助植物应对热和其他胁迫。

“植物没有大脑，没有中枢神经系统，但它们进化到能够发送不同的化学混合物，这就是它们向植物的其他部分传达天气太热或昆虫捕食者的方式正在进攻，”斯特拉诺说。

预先警告

该技术是第一个可以从植物获取实时信息的技术，也是唯一可以应用于几乎任何植物的技术。大多数现有传感器由荧光蛋白组成，必须通过基因工程改造到特定类型的植物中，例如烟草或常见的实验植物拟南芥，并且不能普遍应用。

研究人员现在正在改造这些传感器来创建哨兵植物，可以对其进行监控，以便在农民的作物面临压力时向他们发出更早的警告。例如，当植物没有足够的水时，它们最终会开始变成棕色，但当这种情况发生时，通常已经来不及干预了。

“随着气候变化和人口不断增加，我们非常需要更好地了解植物如何应对和适应压力，并设计出更能耐受压力的植物。

“这项工作揭示了植物中最重要的活性氧之一H2O2与广泛参与植物应激反应的激素水杨酸之间的相互作用，因此有助于对植物应激信号传导的机制理解，”瑞典林雪平大学生物工程高级副教授EleniStavrinidou说道，她没有参与这项研究。

这项技术还可用于开发系统，不仅可以感知植物何时陷入困境，还可以触发响应，例如改变温室中的温度或光照量。

斯特拉诺说：“我们正在将这项技术融入诊断中，可以比任何其他传感器更快地为农民提供实时信息，并且速度足以让他们进行干预。”

研究人员还在开发可用于检测其他植物信号分子的传感器，希望更多地了解它们对压力和其他刺激的反应。