植物传感器可以作为农民的早期预警系统

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，这些信号揭示了计划何时受到热、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（一种类似于阿司匹林的分子）。研究人员发现，植物在每种压力的不同时间点产生这些分子，从而产生独特的模式，可以作为早期预警系统。

研究人员说，农民可以使用这些传感器来监测对农作物的潜在威胁，使他们能够在农作物损失之前进行干预。

“我们发现，这两个传感器一起可以准确地告诉用户工厂正在承受什么样的压力。在工厂内部，实时地，你会得到上升和下降的化学变化，每个变化都是不同压力的指纹，“麻省理工学院化学工程Carbon P. Dubbs教授Michael Strano说，他是该研究的资深作者之一。Strano还是SMART农业精准颠覆性和可持续技术研究小组的联合首席研究员。

新加坡淡马锡生命科学实验室的高级首席研究员Sarojam Rajani也是该论文的资深作者，该论文发表在 《自然通讯》上。该论文的主要作者是SMART副科学主任Mervin Chun-Yi Ang和淡马锡生命科学实验室研究官员Jolly Madathiparambil Saju。

感应应力

植物以不同的方式对不同类型的压力做出反应。2020 年，Strano 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光线过多等其他压力时，它们会将其用作求救信号。

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，可以定制传感器以检测不同的分子，在目标存在时发出荧光信号。在这项新研究中，研究人员使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、发育和对压力反应的许多方面的分子。

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下面。传感器可以通过称为气孔的孔隙进入叶子，并在叶肉中居住 – 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。

在这项研究中，研究人员将过氧化氢和水杨酸的传感器应用于白菜，白菜是一种绿叶蔬菜，也被称为大白菜或大白菜。然后，他们将植物暴露在四种不同类型的压力下——热量、强光、昆虫叮咬和细菌感染——并发现植物对每种类型的压力产生了独特的反应。

每种类型的压力都导致植物在几分钟内产生过氧化氢，在一小时内达到最大水平，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，但在不同的时间点。昆虫叮咬根本没有刺激水杨酸的产生。

Strano说，这些发现代表了植物用来协调其对压力的反应的一种“语言”。过氧化氢和水杨酸波会触发额外的反应，帮助植物在面临任何类型的压力下生存。

对于昆虫叮咬等压力，这种反应包括产生昆虫不喜欢的化合物，使它们远离植物。水杨酸和过氧化氢还可以激活信号通路，开启蛋白质的产生，帮助植物对热和其他压力做出反应。

“植物没有大脑，它们没有中枢神经系统，但它们进化到发送不同的化学物质混合物，这就是它们如何与植物的其他部分沟通，它变得太热了，或者昆虫捕食者正在攻击，”斯特拉诺说。

预警

该技术是第一个可以从植物中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。大多数现有的传感器由荧光蛋白组成，这些荧光蛋白必须经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。

研究人员现在正在调整这些传感器，以创建可以监测的哨兵植物，以便在农作物受到压力时向农民提供更早的警告。例如，当植物没有足够的水时，它们最终会开始变成褐色，但当这种情况发生时，通常为时已晚。

“随着气候变化和人口的增加，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与广泛参与植物胁迫反应的水杨酸激素之间的相互作用，因此有助于对植物胁迫信号的机制理解，“瑞典林雪平大学生物工程高级副教授Eleni Stavrinidou说。 谁没有参与研究。

这项技术还可用于开发系统，这些系统不仅可以感知植物何时处于困境中，还可以触发响应，例如改变温室中的温度或光量。

“我们正在将这项技术整合到诊断中，可以比任何其他传感器更快地为农民提供实时信息，并且足够快，让他们进行干预，”Strano说。

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。

该研究得到了新加坡国家研究基金会（National Research Foundation of Singapore）通过SMART的卓越研究与技术企业校园（CREATE）计划以及美国农业部国家粮食和农业研究所（USDA National Institute of Food and Agriculture）的支持。