Forskare från den interdisciplinära forskningsgruppen Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) i Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), MIT:s forskningsföretag i Singapore, och deras lokala medarbetare från Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) och Nanyang Technological University (NTU), har utvecklat den första nanosensorn någonsin för att möjliggöra snabb testning av syntetiska auxinväxthormoner. De nya nanosensorerna är säkrare och mindre tråkiga än befintliga tekniker för att testa växters svar på föreningar som herbicid, och kan vara transformerande för att förbättra jordbruksproduktionen och vår förståelse för växttillväxt.

Forskarna designade sensorer för två växthormoner - 1-naftalenättiksyra (NAA) och 2, 4-diklorfenoxiättiksyra (2, 4D) – som används flitigt inom jordbruksindustrin för att reglera växttillväxt och som herbicider, respektive. Nuvarande metoder för att upptäcka NAA och 2, 4D orsakar skador på växter, och kan inte tillhandahålla övervakning och information i realtid in vivo.

Baserat på konceptet med koronafas molekylär igenkänning (CoPhMoRe) banbrytande av Strano Lab vid SMART DiSTAP och MIT, de nya sensorerna kan upptäcka förekomsten av NAA och 2, 4D i levande växter i snabb takt, tillhandahålla anläggningsinformation i realtid, utan att orsaka någon skada. Teamet har framgångsrikt testat båda sensorerna på ett antal vardagliga grödor inklusive pak choi, spenat, och ris över olika planteringsmedier som jord, hydroponisk, och växtvävnadskultur.

Förklaras i ett papper med titeln "Nanosensor Detection of Synthetic Auxins In Planta using Corona Phase Molecular Recognition" publicerat i tidskriften ACS-sensorer , forskningen kan underlätta en effektivare användning av syntetiska auxiner i jordbruket och har en enorm potential för att främja växtbiologistudier.

"Vår CoPhMoRe-teknik har tidigare använts för att detektera föreningar som väteperoxid och tungmetallföroreningar som arsenik - men detta är det första framgångsrika fallet med CoPhMoRe-sensorer utvecklade för att detektera växtfytohormoner som reglerar växternas tillväxt och fysiologi, till exempel sprayer för att förhindra för tidig blomning och avfall av frukt, " säger DiSTAP co-leading huvudutredare Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik vid MIT. "Denna teknik kan ersätta nuvarande toppmoderna avkänningsmetoder som är mödosamma, destruktiv, och osäkra."

Av de två sensorer som utvecklats av forskargruppen, den 2, 4D nanosensor visade också förmågan att upptäcka herbicidkänslighet, gör det möjligt för jordbrukare och jordbruksforskare att snabbt ta reda på hur sårbara eller resistenta olika växter är för herbicider utan att behöva övervaka grödor eller ogräs tillväxt över dagar. "Detta kan vara oerhört fördelaktigt för att avslöja mekanismen bakom hur 2, 4D fungerar inom växter och varför grödor utvecklar herbicidresistens, "säger DiSTAP och TLL -huvudutredaren Rajani Sarojam.

"Vår forskning kan hjälpa industrin att få en bättre förståelse för växttillväxtdynamik och har potential att helt förändra hur industrin skärmar för herbicidresistens, eliminerar behovet av att övervaka grödor eller ogrästillväxt över dagar, " säger Mervin Chun-Yi Ang, en forskare vid DiSTAP. "Det kan appliceras på en mängd olika växtarter och planteringsmedier, och kan enkelt användas i kommersiella inställningar för snabba tester av känslighet för herbicider, såsom urbana gårdar."

NTU-professor Mary Chan-Park Bee Eng säger, "Att använda nanosensorer för in planta-detektion eliminerar behovet av omfattande extraktions- och reningsprocesser, vilket sparar tid och pengar. De använder också mycket billig elektronik, vilket gör dem lätta att anpassa för kommersiella installationer."

Teamet säger att deras forskning kan leda till framtida utveckling av nanosensorer i realtid för andra dynamiska växthormoner och metaboliter även i levande växter.

Utvecklingen av nanosensorn, optiskt detektionssystem, och bildbehandlingsalgoritmer för denna studie gjordes av SMART, NTU, och MIT, medan TLL validerade nanosensorerna och gav kunskap om växtbiologi och växtsignaleringsmekanismer. Forskningen utförs av SMART och stöds av NRF under sitt Campus for Research Excellence And Technological Enterprise (CREATE) -program.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.