活體植物中SA納米傳感器的亞細胞定位。用SA傳感器浸透的煙草葉共焦圖像，以可視化SA傳感器的亞細胞定位：a、e、j 葉綠素自發(fā)熒光（紅色）、b、f、kSA傳感器 青色熒光、c、g、l覆蓋和（d， h， m）明場。第1行——SA在表皮細胞外周觀察到熒光，表明細胞質定位。第2行——質溶化表皮細胞，顯示由縮小的原生質體形成的胞膜空間中SA傳感器熒光，如箭頭所示。i 放大疊加圖像，來自 g 的單元格。圖片來源：自然傳播（2024年）。DOI：10.1038/s41467-024-47082-1
麻省理工學院和新加坡麻省理工研究與技術聯盟（SMART）的研究人員利用一對由碳納米管制成的傳感器，發(fā)現了能夠揭示計劃在熱量、光線或昆蟲或細菌攻擊等應力時發(fā)出的信號。
傳感器檢測植物用來協(xié)調應激反應的兩種信號分子：過氧化氫和水楊酸（一種類似阿司匹林的分子）。研究人員發(fā)現，植物在不同類型的應激下，在不同時間點產生這些分子，形成獨特的模式，可以作為早期預警系統(tǒng)。
研究人員表示，農民可以利用這些傳感器監(jiān)測對作物的潛在威脅，從而在作物損失前進行干預。
“我們發(fā)現這兩個傳感器合起來可以準確告訴用戶植物承受了什么樣的應力。在工廠內部，實時可以看到化學變化的升降，每一次變化都作為不同應力的指紋，“麻省理工學院化學工程Carbon P. Dubbs教授、該研究的高級作者之一Michael Strano說。
新加坡淡馬錫生命科學實驗室高級首席研究員Sarojam Rajani也是該論文的高級作者，該論文發(fā)表于《自然通訊》。論文的主要作者是SMART副科學主任Mervin Chun-Yi Ang和淡馬錫生命科學實驗室的研究官Jolly Madathiparambil Saju。
植物對不同類型的壓力有不同的反應。2020年，斯特拉諾的實驗室開發(fā)了一種傳感器，可以檢測過氧化氫，植物細胞在遭受昆蟲攻擊或遭遇細菌感染、過強光照等壓力時，將其作為求救信號。
這些傳感器由包裹在聚合物中的微小碳納米管組成。通過改變聚合物的三維結構，傳感器可以定制以檢測不同分子，當目標存在時發(fā)出熒光信號。在這項新研究中，研究人員利用這一方法開發(fā)了一種能夠檢測水楊酸的傳感器，水楊酸是一種參與調控植物生長、發(fā)育及對應激反應的多個方面的分子。
為了將納米傳感器嵌入植物中，研究人員將其溶解在溶液中，然后涂抹在植物葉片的背面。這些傳感器可以通過稱為氣孔的孔進入葉片，并寄居在間葉膜——大部分光合作用發(fā)生的層。當傳感器被激活時，信號可以通過紅外攝像頭輕松檢測到。
葉片上的一對傳感器由左側的雙氧水傳感器和右側的水楊酸傳感器組成。當植物受傷時，如本例，左側會有移動波形響應，但水楊酸的產生非常少。這就是受傷的應力信號。相反，當植物受到過熱、過強光或細菌感染的壓力時，不同波形的水楊酸伴隨左側的雙氧水波。圖片來源：自然傳播（2024年）。DOI：10.1038/s41467-024-47082-1
在這項研究中，研究人員將過氧化氫和水楊酸傳感器應用于白菜（一種綠葉蔬菜，也稱為白菜或中國白菜）。隨后，他們讓植物暴露在四種不同類型的壓力下——高溫、強烈光線、昆蟲叮咬和細菌感染——發(fā)現植物對每種壓力都有獨特的反應。
每種壓力都導致工廠在幾分鐘內產生過氧化氫，一小時內達到最大水平后恢復正常。熱量、光線和細菌感染在刺激后兩小時內都會在不同時間點引發(fā)水楊酸的產生。昆蟲叮咬完全不會刺激水楊酸的產生。
斯特拉諾說，這些發(fā)現代表了植物用來協(xié)調應對壓力的“語言”。過氧化氫和水楊酸波會觸發(fā)額外的反應，幫助植物在面對各種壓力時存活。
對于昆蟲叮咬這樣的壓力，這種反應包括產生昆蟲不喜歡的化學物質，驅趕昆蟲遠離植物。水楊酸和過氧化氫還能激活信號通路，促進蛋白質的生成，幫助植物應對熱和其他壓力。
“植物沒有大腦，也沒有中樞神經系統(tǒng)，但它們進化出能傳遞不同化學物質的混合物，這就是它們向植物其他部分傳達天氣變得過熱，或者昆蟲捕食者正在攻擊的方式，”斯特拉諾說。
該技術是首個能夠從植物中獲取實時信息的技術，也是唯一幾乎適用于任何植物的方法。大多數現有傳感器由熒光蛋白組成，這些蛋白質必須基因工程化成特定植物類型，如煙草或常見的實驗植物擬南芥，無法通用應用。
研究人員現在正在改造這些傳感器，制造出可以被監(jiān)測的哨兵植物，以便在農作物承受壓力時更早地預警。例如，當植物水分不足時，它們最終會開始變褐，但到那時通常已經太晚，無法及時干預。
“隨著氣候變化和人口增長，迫切需要更好地理解植物如何應對和適應壓力，同時設計出更具耐受性的植物。
“這部作品揭示了H2O2瑞典林雪平大學生物工程高級副教授埃萊尼·斯塔夫里尼杜說：“水楊酸是植物應激反應中廣泛參與的激素，因此有助于理解植物應激信號的機制性�！�
這項技術還可以開發(fā)不僅能感知植物受損，還能觸發(fā)反應的系統(tǒng)，比如改變溫室的溫度或光照量。
“我們正在將這項技術融入診斷系統(tǒng)，能夠比任何其他傳感器更快地為農民提供實時信息，并且足夠快讓他們能夠介入，”斯特拉諾說。
研究人員還在開發(fā)可用于檢測其他植物信號分子的傳感器，希望能更多地了解它們對應激和其他刺激的反應。
更多信息：Mervin Chun-Yi Ang 等，《利用納米傳感器復用解碼活體植物早期應力信號波》，Nature Communications（2024年）。DOI：10.1038/s41467-024-47082-1
期刊信息：自然通訊
由麻省理工學院提供
本報道由麻省理工學院新聞（web.mit.edu/newsoffice/）轉載，該網站報道麻省理工研究、創(chuàng)新和教學相關新聞。
