Forskare från Disruptive &Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) Interdisciplinary Research Group (IRG) 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 herbicider, och kan vara transformativt 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 respektive som herbicider. 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 Massachusetts Institute of Technology (MIT), de nya sensorerna kan detektera närvaron 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, hydroponiska, och växtvävnadskultur.

Förklarat i en artikel med titeln "Nanosensor Detection of Synthetic Auxins In Planta using Corona Phase Molecular Recognition" publicerad i den prestigefyllda 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 DiSTAPs medledande chefsutredare professor Michael Strano och Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik vid MIT, som leder The Strano Lab 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 bönder och jordbruksforskare att snabbt ta reda på hur känsliga eller resistenta olika växter är mot herbicider utan att behöva övervaka grödor eller ogrästillväxt 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:s chefsutredare Dr. Rajani Sarojam.

"Vår forskning kan hjälpa industrin att få en bättre förståelse för växternas tillväxtdynamik och har potential att helt förändra hur industrin screenar för herbicidresistens, eliminerar behovet av att övervaka grödor eller ogrästillväxt över dagar, " säger Dr Mervin Chun-Yi Ang, Forskare vid DiSTAP. "Det kan appliceras på en mängd olika växtarter och planteringsmedier, och kan lätt användas i kommersiella uppställningar för snabb testning av herbicidkänslighet, 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 dess Campus for Research Excellence And Technological Enterprise (CREATE) program.