MIT-ingenjörer har utvecklat ett sätt att noggrant spåra hur växter reagerar på påfrestningar som skador, infektion, och lätt skada, med hjälp av sensorer gjorda av kolnanorör. Dessa sensorer kan bäddas in i växtblad, där de rapporterar om väteperoxidsignalvågor.

Växter använder väteperoxid för att kommunicera i sina löv, sänder ut en nödsignal som stimulerar bladceller att producera föreningar som hjälper dem att reparera skador eller avvärja rovdjur som insekter. De nya sensorerna kan använda dessa väteperoxidsignaler för att skilja mellan olika typer av stress, såväl som mellan olika växtarter.

"Växter har en mycket sofistikerad form av intern kommunikation, som vi nu kan observera för första gången. Det betyder att i realtid, vi kan se en levande växts svar, kommunicera den specifika typen av stress som den upplever, " säger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik vid MIT.

Denna typ av sensor kan användas för att studera hur växter reagerar på olika typer av stress, potentiellt hjälpa jordbruksforskare att utveckla nya strategier för att förbättra skördarna. Forskarna visade sitt tillvägagångssätt i åtta olika växtarter, inklusive spenat, jordgubbsplantor, och ruccola, och de tror att det skulle kunna fungera i många fler.

Strano är seniorförfattaren till studien, som visas idag i Natur Växter . MIT doktorand Tedrick Thomas Salim Lew är huvudförfattare till tidningen.

Inbyggda sensorer

Under de senaste åren, Stranos labb har undersökt potentialen för att konstruera "nanobioniska växter" - växter som innehåller nanomaterial som ger växterna nya funktioner, som att sända ut ljus eller upptäcka vattenbrist. I den nya studien, han satte sig för att införliva sensorer som skulle rapportera tillbaka om växternas hälsotillstånd.

Strano hade tidigare utvecklat kolnanorörssensorer som kan detektera olika molekyler, inklusive väteperoxid. För ungefär tre år sedan, Lew började arbeta med att försöka införliva dessa sensorer i växtblad. Studier i Arabidopsis thaliana, används ofta för molekylära studier av växter, hade föreslagit att växter skulle kunna använda väteperoxid som en signalmolekyl, men dess exakta roll var oklart.

Lew använde en metod som kallas lipid exchange envelope penetration (LEEP) för att införliva sensorerna i växtens blad. LEEP, som Stranos labb utvecklade för flera år sedan, möjliggör design av nanopartiklar som kan penetrera växtcellmembran. När Lew arbetade med att bädda in kolnanorörssensorerna, han gjorde en otrolig upptäckt.

"Jag tränade mig själv för att bli bekant med tekniken, och i processen av träningen tillfogade jag av misstag ett sår på växten. Sedan såg jag den här utvecklingen av väteperoxidsignalen, " han säger.

Han såg att efter att ett löv skadats, väteperoxid frigjordes från sårplatsen och genererade en våg som spred sig längs bladet, liknande det sätt som neuroner överför elektriska impulser i våra hjärnor. När en växtcell frigör väteperoxid, det utlöser kalciumfrisättning i intilliggande celler, vilket stimulerar dessa celler att frigöra mer väteperoxid.

"Som domino som faller successivt, detta skapar en våg som kan fortplanta sig mycket längre än enbart en väteperoxidpuff skulle göra, " säger Strano. "Vågen i sig drivs av cellerna som tar emot och sprider den."

Denna flod av väteperoxid stimulerar växtceller att producera molekyler som kallas sekundära metaboliter, som flavonoider eller karotenoider, som hjälper dem att reparera skadan. Vissa växter producerar också andra sekundära metaboliter som kan utsöndras för att avvärja rovdjur. Dessa metaboliter är ofta källan till matsmakerna som vi önskar i våra ätbara växter, och de produceras bara under stress.

En viktig fördel med den nya avkänningstekniken är att den kan användas i många olika växtarter. Traditionellt, växtbiologer har gjort mycket av sin molekylärbiologiska forskning i vissa växter som är mottagliga för genetisk manipulation, inklusive Arabidopsis thaliana och tobaksväxter. Dock, den nya MIT-metoden är tillämplig på potentiellt vilken anläggning som helst.

"I den här studien, vi kunde snabbt jämföra åtta växtarter, och du skulle inte kunna göra det med de gamla verktygen, " säger Strano.

Forskarna testade jordgubbsplantor, spenat, ruccola, sallad, vattenkrasse, och syra, och fann att olika arter verkar producera olika vågformer - den distinkta formen som skapas genom att kartlägga koncentrationen av väteperoxid över tiden. De antar att varje växts reaktion är relaterad till dess förmåga att motverka skadan. Varje art verkar också reagera olika på olika typer av stress, inklusive mekanisk skada, infektion, och värme- eller ljusskador.

"Denna vågform innehåller mycket information för varje art, och ännu mer spännande är att typen av stress på en given växt är kodad i denna vågform, ", säger Strano. "Du kan titta på realtidsresponsen som en växt upplever i nästan vilken ny miljö som helst."

Stressrespons

Den nära-infraröda fluorescensen som produceras av sensorerna kan avbildas med en liten infraröd kamera ansluten till en Raspberry Pi, en dator i kreditkortsstorlek 35 USD som liknar datorn inuti en smartphone. "Mycket billig instrumentering kan användas för att fånga signalen, " säger Strano.

Tillämpningar för denna teknik inkluderar screening av olika växtarter för deras förmåga att motstå mekanisk skada, ljus, värme, och andra former av stress, säger Strano. Det kan också användas för att studera hur olika arter reagerar på patogener, som till exempel bakterierna som orsakar citrusgrönning och svampen som orsakar kafferost.

"En av de saker jag är intresserad av att göra är att förstå varför vissa typer av växter uppvisar viss immunitet mot dessa patogener och andra inte, " han säger.

Strano och hans kollegor i den interdisciplinära forskningsgruppen Disruptive and Sustainable Technology for Agricultural Precision vid MIT-Singapore Alliance for Research and Technology (SMART), MIT:s forskningsföretag i Singapore, är också intresserade av att studera hur växter reagerar på olika växtförhållanden i urbana gårdar.

Ett problem de hoppas kunna lösa är att undvika skugga, vilket ses hos många växtarter när de odlas med hög densitet. Sådana växter får en stressreaktion som leder deras resurser till att växa sig längre, istället för att lägga energi på att producera grödor. Detta sänker den totala skörden, så jordbruksforskare är intresserade av att konstruera anläggningar så att de inte slår på det svaret.

"Vår sensor tillåter oss att fånga upp den stresssignalen och att förstå exakt de förhållanden och mekanismen som händer uppströms och nedströms i anläggningen som ger upphov till undvikande av skugga, " säger Strano.