Углеродные нанотрубки, встроенные в листья, улавливают химические сигналы, которые возникают при повреждении растения.
Инженеры Массачусетского технологического института разработали способ тщательно отслеживать, как растения реагируют на такие стрессы, как травмы, инфекции и световые повреждения, с помощью датчиков, изготовленных из углеродных нанотрубок.
Эти датчики могут быть встроены в листья растений, где они сообщают о сигнальных волнах перекиси водорода.
Растения используют перекись водорода для общения внутри своих листьев, посылая сигнал бедствия, который стимулирует клетки листьев вырабатывать соединения, которые помогут им восстанавливать повреждения или отбиваться от хищников, таких как насекомые. Новые датчики могут использовать эти сигналы перекиси водорода, чтобы различать разные типы стресса, а также разные виды растений.
«У растений есть очень сложная форма внутренней коммуникации, которую мы можем наблюдать впервые. Это означает, что в режиме реального времени мы можем наблюдать за реакцией живого растения, сообщая о конкретном типе стресса, который оно испытывает», - говорит Майкл Страно, профессор химического машиностроения Carbon P. Dubbs в Массачусетском технологическом институте.
Датчик такого типа можно использовать для изучения реакции растений на различные виды стресса, что может помочь ученым-аграриям разработать новые стратегии повышения урожайности. Исследователи продемонстрировали свой подход на восьми различных видах растений, включая шпинат, клубнику и рукколу, и считают, что он может работать и на многих других.
Страно - старший автор исследования, опубликованного сегодня в журнале Nature Plants. Ведущим автором статьи является аспирант Массачусетского технологического института Тедрик Томас Салим Лью.
Встроенные датчики
В течение последних нескольких лет лаборатория Страно изучала потенциал создания «нанобионических растений» - растений, которые содержат наноматериалы, которые придают растениям новые функции, такие как излучение света или обнаружение нехватки воды. В новом исследовании он решил включить датчики, которые будут сообщать о состоянии здоровья растений.
Strano ранее разработал датчики из углеродных нанотрубок, которые могут обнаруживать различные молекулы, включая перекись водорода. Около трех лет назад Лью начал работать над внедрением этих датчиков в листья растений. Исследования Arabidopsis thaliana, часто используемого для молекулярных исследований растений, показали, что растения могут использовать перекись водорода в качестве сигнальной молекулы, но ее точная роль была неясна.
Лью использовал метод, называемый проникновением оболочки липидного обмена (LEEP), чтобы встроить датчики в листья растений. LEEP, разработанный лабораторией Страно несколько лет назад, позволяет создавать наночастицы, способные проникать через мембраны клеток растений. Когда Лью работал над внедрением сенсоров из углеродных нанотрубок, он сделал неожиданное открытие.
«Я тренировался для ознакомления с техникой и в процессе тренировки случайно нанес растению рану. Затем я увидел эту эволюцию сигнала перекиси водорода», - говорит он.
Он увидел, что после повреждения листа из места раны выделяется перекись водорода, которая генерирует волну, которая распространяется по листу подобно тому, как нейроны передают электрические импульсы в нашем мозгу. Когда растительная клетка выделяет перекись водорода, это вызывает высвобождение кальция в соседних клетках, что стимулирует эти клетки к выделению большего количества перекиси водорода.
«Подобно последовательно падающим костяшкам домино, это создает волну, которая может распространяться намного дальше, чем одна только струя перекиси водорода», - говорит Страно. «Сама волна питается от клеток, которые ее принимают и распространяют».
Этот поток перекиси водорода стимулирует клетки растений производить молекулы, называемые вторичными метаболитами, такие как флавоноиды или каротиноиды, которые помогают им восстанавливать повреждения. Некоторые растения также производят другие вторичные метаболиты, которые могут выделяться для защиты от хищников. Эти метаболиты часто являются источником пищевых ароматов, которые нам нужны в наших съедобных растениях, и они вырабатываются только в условиях стресса.
Ключевым преимуществом нового метода зондирования является то, что его можно использовать для многих различных видов растений. Традиционно биологи растений проводили большую часть своих молекулярно-биологических исследований на определенных растениях, поддающихся генетическим манипуляциям, включая Arabidopsis thaliana и растения табака. Однако новый подход MIT потенциально применим к любому заводу.
«В этом исследовании мы смогли быстро сравнить восемь видов растений, и вы не смогли бы сделать это с помощью старых инструментов», - говорит Страно.
Исследователи проверили растения клубники, шпинат, рукколу, салат, кресс-салат и щавель и обнаружили, что разные виды производят разные формы волны - характерную форму, полученную путем картирования концентрации перекиси водорода с течением времени. Они предполагают, что реакция каждого растения связана с его способностью противодействовать повреждению. Каждый вид также, по-видимому, по-разному реагирует на разные типы стресса, включая механические травмы, инфекции, тепловые или световые повреждения.
«Эта кривая содержит много информации для каждого вида, и еще более захватывающим является то, что тип стресса на данном растении закодирован в этой волновой форме», - говорит Страно. «Вы можете наблюдать за реакцией растения в режиме реального времени практически в любой новой среде».
Реакция на стресс
Флуоресценция в ближней инфракрасной области, создаваемая датчиками, может быть отображена с помощью небольшой инфракрасной камеры, подключенной к Raspberry Pi, компьютеру размером с кредитную карту за 35 долларов, подобному компьютеру внутри смартфона. «Для захвата сигнала можно использовать очень недорогое оборудование», - говорит Страно.
Применения этой технологии включают скрининг различных видов растений на их способность противостоять механическим повреждениям, свету, теплу и другим формам стресса, говорит Страно. Его также можно использовать для изучения того, как разные виды реагируют на патогены, такие как бактерии, вызывающие позеленение цитрусовых, и грибок, вызывающий ржавчину кофе.
«Одна из вещей, которые меня интересуют, - это понять, почему одни виды растений проявляют определенный иммунитет к этим патогенам, а другие - нет», - говорит он.
Страно и его коллеги из междисциплинарной исследовательской группы «Прорывные и устойчивые технологии для точного земледелия» в Альянсе исследований и технологий Сингапура и Массачусетского технологического института (SMART), исследовательском предприятии Массачусетского технологического института в Сингапуре, также заинтересованы в изучении как растения реагируют на различные условия выращивания на городских фермах.
Одной из проблем, которую они надеются решить, является избегание тени, которое наблюдается у многих видов растений, когда они выращиваются в условиях высокой плотности. Такие растения включают реакцию на стресс, которая отвлекает их ресурсы на рост, вместо того, чтобы тратить энергию на производство урожая. Это снижает общую урожайность, поэтому сельскохозяйственные исследователи заинтересованы в разработке растений, чтобы не включать эту реакцию.
«Наш датчик позволяет нам перехватывать этот сигнал стресса и точно понимать условия и механизм, происходящий в растении вверх и вниз по течению, что приводит к избеганию тени», - говорит Страно.
Исследование финансировалось Национальным исследовательским фондом Сингапура, Сингапурским агентством по науке, технологиям и исследованиям (ASTAR) и Программой стипендий для выпускников Министерства энергетики США.
Перепечатано с разрешения MIT News. Прочтите исходную статью.