当植物受到压力时，纳米传感器可以向智能手机发出警报

麻省理工学院的工程师们已经开发出一种方法，可以利用碳纳米管制成的传感器，密切追踪植物对伤害、感染和光照损伤等压力的反应。这些传感器可以嵌入植物叶子中，并报告过氧化氢信号波。

植物利用过氧化氢在叶子内部进行交流，发出求救信号，刺激叶子细胞产生化合物，帮助它们修复损伤或抵御昆虫等捕食者。新的传感器可以利用这些过氧化氢信号来区分不同类型的压力，以及不同种类的植物。

“植物有一种非常复杂的内部交流形式，这是我们现在首次观察到的。这意味着，我们可以实时看到一个活的植物的反应，传达它所经历的特定类型的压力，”麻省理工学院(MIT)的碳P.迪布斯(Carbon P. Dubbs)化学工程教授迈克尔·斯特拉诺(Michael Strano)说。

这种传感器可以用来研究植物如何应对不同类型的压力，潜在地帮助农业科学家开发新的策略来提高作物产量。研究人员在8种不同的植物中演示了他们的方法，包括菠菜、草莓和芝麻菜，他们相信这种方法在更多的植物中也能奏效。

斯特拉诺是这项研究的资深作者，这项研究发表在今天的《自然植物》杂志上。麻省理工学院研究生Tedrick Thomas Salim Lew是这篇论文的主要作者。

嵌入式传感器

在过去几年里，斯特拉诺的实验室一直在探索“纳米离子植物”工程的潜力。纳米离子植物包含纳米材料，赋予植物新的功能，比如发光或探测缺水。在这项新的研究中，他开始将传感器整合进来，这些传感器将汇报植物的健康状况。

斯特拉诺之前开发了碳纳米管传感器，可以检测各种分子，包括过氧化氢。大约三年前，卢开始致力于将这些传感器整合到植物叶子中。在拟南芥(Arabidopsis thaliana)的研究中，通常用于植物的分子研究，表明植物可能使用过氧化氢作为信号分子，但其确切作用尚不清楚。

卢使用了一种称为脂质交换包膜渗透(LEEP)的方法，将传感器整合到植物叶片中。斯特拉诺的实验室几年前开发的LEEP，可以设计出能够穿透植物细胞膜的纳米颗粒。当卢致力于埋入碳纳米管传感器时，他有了一个意外的发现。

“我一直在训练自己熟悉这项技术，在训练的过程中，我不小心把工厂弄伤了。然后我看到了过氧化氢信号的演变，”他说。

他发现，在一片叶子受到伤害后，过氧化氢从受伤部位释放出来，并产生一种沿着叶子扩散的波，类似于我们大脑中神经元传递电脉冲的方式。当一个植物细胞释放过氧化氢时，它会触发相邻细胞内的钙释放，从而刺激这些细胞释放更多的过氧化氢。

斯特拉诺说:“就像多米诺骨牌相继倒下一样，这就产生了一种波，这种波的传播距离比单靠双氧水泡芙要远得多。”“波本身是由接收和传播它的细胞提供能量的。”

这种大量的过氧化氢刺激植物细胞产生一种叫做次生代谢物的分子，如类黄酮或类胡萝卜素，帮助它们修复损伤。有些植物还会产生其他次生代谢物，这些代谢物可以被分泌出来抵御捕食者。这些代谢物通常是我们食用植物所需要的食物风味的来源，它们只在压力下产生。 

这种新的传感技术的一个关键优势是它可以用于许多不同的植物物种。传统上，植物生物学家已经在某些植物上进行了大量的分子生物学研究，这些植物包括拟南芥和烟草植物。然而，麻省理工学院的新方法可能适用于任何工厂。

斯特拉诺说:“在这项研究中，我们能够快速比较八种植物，而用旧工具是做不到这一点的。”

研究人员对草莓、菠菜、芝麻菜、莴苣、豆瓣菜和酢浆草进行了测试，发现不同种类的草莓会产生不同的波形——这种独特的波形是通过记录过氧化氢的浓度随时间变化而产生的。他们假设每一种植物的反应都与其抵消损害的能力有关。每个物种似乎对不同类型的压力也有不同的反应，包括机械损伤、感染、热损伤或光损伤。

斯特拉诺说:“这个波形包含了每个物种的大量信息，更令人兴奋的是，给定植物的压力类型被编码在这个波形中。”“你可以观察植物在几乎任何新环境中的实时响应。”

应激反应

传感器产生的近红外荧光可以通过与树莓派(Raspberry Pi)相连的小型红外摄像头成像。树莓派是一款售价35美元的信用卡大小的电脑，与智能手机里的电脑类似。“非常便宜的仪器可以用来捕捉信号，”斯特拉诺说。

这项技术的应用包括筛选不同种类的植物，看它们是否有能力抵抗机械损伤、光、热和其他形式的压力，斯特拉诺说。它也可以用来研究不同物种对病原体的反应，比如导致柑橘变绿的细菌和导致咖啡锈病的真菌。

他说:“我感兴趣的事情之一是了解为什么有些植物对这些病原体有一定的免疫力，而有些则没有。”

斯特拉诺和他在麻省理工学院-新加坡研究与技术联盟(SMART)农业精确跨学科研究小组的同事们，也对研究植物如何应对城市农场的不同生长条件感兴趣。

他们希望解决的一个问题是避免荫凉，这在许多物种的植物高密度生长时都能看到。这样的植物会产生一种应激反应，把它们的资源转移到长高上，而不是把能量投入到生产作物上。这降低了作物的总体产量，所以农业研究人员对工程植物感兴趣，这样就不会引起那种反应。

斯特拉诺说:“我们的传感器让我们能够拦截压力信号，准确地了解核电站上下游发生的情况和机制，从而避免荫蔽。”

这项研究由新加坡国家研究基金会、新加坡科学、技术和研究局(A*STAR)和美国能源部计算科学研究生奖学金项目资助。