Нанодатчики, способные поселиться в мезофилле - слое, где происходит большая часть фотосинтеза, представляют собой систему быстрого оповещения об угрозах для урожая.
Используя пару датчиков, изготовленных из углеродных нанотрубок, исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и Центра исследований и технологий Альянса Сингапура и MIT (SMART), обнаружили, что эти сенсоры обнаруживают две сигнальные молекулы, которые растения используют для координации своей реакции на стресс: перекись водорода и салициловую кислоту (молекула, похожая на аспирин), пишет Энн Трафтон в релизе MIT.
Исследователи обнаружили, что растения производят эти молекулы в разные моменты времени для каждого типа стресса, создавая особые закономерности, которые могут служить системой раннего предупреждения.
«Фермеры могут использовать эти датчики для мониторинга потенциальных угроз для своих посевов, что позволит им вмешаться до того, как урожай будет потерян», - говорит Майкл Страно, профессор химической инженерии в Массачусетском технологическом институте и один из старших авторов исследования.
Сароджам Раджани, старший научный сотрудник Лаборатории биологических наук Temasek (лаборатория является бенефициаром Temasek Trust и связана с Национальным университетом Сингапура и Технологическим университетом Наньян) является старшим автором статьи, опубликованной в журнале Nature Communications. Ведущими авторами статьи являются Мервин Чун-И Анг, заместитель научного директора SMART, и Джолли Мадатипарамбил Саджу, научный сотрудник лаборатории биологических наук Temasek.
В 2020 году лаборатория Страно разработала датчик, который может обнаруживать перекись водорода, которую растительные клетки используют в качестве сигнала бедствия, если они подвергаются нападению насекомых или сталкиваются с другими стрессами, такими как бактериальная инфекция или слишком много света.
Эти датчики состоят из крошечных углеродных нанотрубок, обернутых полимерами. Изменяя трехмерную структуру полимеров, датчики можно адаптировать для обнаружения различных молекул, излучая флуоресцентный сигнал при наличии цели.
В новом исследовании ученые использовали этот подход для разработки датчика, который может обнаруживать салициловую кислоту — молекулу, которая участвует в регулировании многих аспектов роста, развития и реакции растений на стресс.
Чтобы внедрить наносенсоры в растения, исследователи растворяют их в растворе, который затем наносят на нижнюю сторону листа растения. Сенсоры могут проникать в листья через поры, называемые устьицами, и селиться в мезофилле — слое, где происходит большая часть фотосинтеза. Когда датчик активирован, сигнал можно легко обнаружить с помощью инфракрасной камеры.
В этом исследовании исследователи применили датчики перекиси водорода и салициловой кислоты к пак-чой, листовому зеленому овощу, также известному как бок-чой или китайская капуста. Затем они подвергли растения четырем различным типам стресса — теплу, интенсивному свету, укусам насекомых и бактериальной инфекции — и обнаружили, что растения реагируют по-разному на каждый тип стресса.
Каждый тип стресса заставлял растения производить перекись водорода в течение нескольких минут, достигая максимального уровня в течение часа, а затем возвращаясь к нормальному состоянию.
Тепло, свет и бактериальная инфекция провоцировали выработку салициловой кислоты в течение двух часов после раздражителя, но в разные моменты времени. Укусы насекомых вообще не стимулировали выработку салициловой кислоты.
По словам Страно, полученные результаты представляют собой «язык», который растения используют для координации своей реакции на стресс. Волны перекиси водорода и салициловой кислоты вызывают дополнительные реакции, которые помогают растению пережить любой тип стресса, с которым оно сталкивается.
В случае стресса, такого как укус насекомого, эта реакция включает выработку химических соединений, которые не нравятся насекомым, и которые отгоняют их от растения. Салициловая кислота и перекись водорода также могут активировать сигнальные пути, которые включают выработку белков, которые помогают растениям реагировать на жару и другие стрессы.
«У растений нет мозга, у них нет центральной нервной системы, но они эволюционировали, чтобы посылать различные смеси химических веществ, и именно так они сообщают остальным частям растения, что становится слишком жарко или что насекомые-хищники атакует», — говорит Страно.
Этот метод является первым, позволяющим получать информацию от растения в режиме реального времени, и единственным, который можно применить практически к любому растению. Большинство существующих сенсоров состоят из флуоресцентных белков, которые необходимо генетически встроить в определенный тип растений, таких как табак или обычное экспериментальное растение Arabidopsis thaliana, и они не могут применяться повсеместно.
Эту технологию также можно использовать для разработки систем, которые не только распознают, когда растения находятся в беде, но и запускают ответную реакцию, например, изменение температуры или количества света в теплице.
«Мы внедряем эту технологию в диагностику, которая может предоставлять фермерам информацию в режиме реального времени гораздо быстрее, чем любой другой датчик, и достаточно быстро, чтобы они могли вмешаться», — говорит Страно.
Источник: Massachusetts Institute of Technology. Автор: Энн Трафтон.
Заглавное фото: Медведева Анна, AgroXXI.ru.
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.