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(zhì)定位。第2行——質(zhì)溶化表皮細胞，顯示由縮小的原生質(zhì)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(xué)院和新加坡麻省理工研究與技術(shù)聯(lián)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(xiàn)了能夠揭示計劃在熱量、光線或昆蟲或細菌攻擊等應(yīng)力時發(fā)出的信號。
傳感器檢測植物用來協(xié)調(diào)應(yīng)激反應(yīng)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(xiàn)，植物在不同類型的應(yīng)激下，在不同時間點產(chǎn)生這些分子，形成獨特的模式，可以作為早期預(yù)警系統(tǒng)。
研究人員表示，農(nóng)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(yù)。
“我們發(fā)現(xiàn)這兩個傳感器合起來可以準(zhǔn)確告訴用戶植物承受了什么樣的應(yīng)力。在工廠內(nèi)部，實時可以看到化學(xué)變化的升降，每一次變化都作為不同應(yīng)力的指紋，“麻省理工學(xué)院化學(xué)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(xué)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(xué)主任Mervin Chun-Yi Ang和淡馬錫生命科學(xué)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(yīng)。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(jié)構(gòu)，傳感器可以定制以檢測不同分子，當(dāng)目標(biāo)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(diào)控植物生長、發(fā)育及對應(yīng)激反應(yīng)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(dāng)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(cè)的雙氧水傳感器和右側(cè)的水楊酸傳感器組成。當(dāng)植物受傷時，如本例，左側(cè)會有移動波形響應(yīng)，但水楊酸的產(chǎn)生非常少。這就是受傷的應(yīng)力信號。相反，當(dāng)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(cè)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(yīng)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(xiàn)植物對每種壓力都有獨特的反應(yīng)。
每種壓力都導(dǎo)致工廠在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生過氧化氫，一小時內(nèi)達到最大水平后恢復(fù)正常。熱量、光線和細菌感染在刺激后兩小時內(nèi)都會在不同時間點引發(fā)水楊酸的產(chǎn)生。昆蟲叮咬完全不會刺激水楊酸的產(chǎn)生。
斯特拉諾說，這些發(fā)現(xiàn)代表了植物用來協(xié)調(diào)應(yīng)對壓力的“語言”。過氧化氫和水楊酸波會觸發(fā)額外的反應(yīng)，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(yīng)包括產(chǎn)生昆蟲不喜歡的化學(xué)物質(zhì)，驅(qū)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(zhì)的生成，幫助植物應(yīng)對熱和其他壓力。
“植物沒有大腦，也沒有中樞神經(jīng)系統(tǒng)，但它們進化出能傳遞不同化學(xué)物質(zhì)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(shù)是首個能夠從植物中獲取實時信息的技術(shù)，也是唯一幾乎適用于任何植物的方法。大多數(shù)現(xiàn)有傳感器由熒光蛋白組成，這些蛋白質(zhì)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(yīng)用。
研究人員現(xiàn)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(nóng)作物承受壓力時更早地預(yù)警。例如，當(dāng)植物水分不足時，它們最終會開始變褐，但到那時通常已經(jīng)太晚，無法及時干預(yù)。
“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(yīng)對和適應(yīng)壓力，同時設(shè)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(xué)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(yīng)激反應(yīng)中廣泛參與的激素，因此有助于理解植物應(yīng)激信號的機制性。”
這項技術(shù)還可以開發(fā)不僅能感知植物受損，還能觸發(fā)反應(yīng)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(shù)融入診斷系統(tǒng)，能夠比任何其他傳感器更快地為農(nóng)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(yīng)激和其他刺激的反應(yīng)。
更多信息：Mervin Chun-Yi Ang 等，《利用納米傳感器復(fù)用解碼活體植物早期應(yīng)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(xué)院提供
本報道由麻省理工學(xué)院新聞（web.mit.edu/newsoffice/）轉(zhuǎn)載，該網(wǎng)站報道麻省理工研究、創(chuàng)新和教學(xué)相關(guān)新聞。
