活體植物中SA納米傳感器的亞細(xì)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(xì)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(chǎng)。第1行——SA在表皮細(xì)胞外周觀察到熒光，表明細(xì)胞質(zhì)定位。第2行——質(zhì)溶化表皮細(xì)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(lái)自 g 的單元格。圖片來(lái)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(duì)由碳納米管制成的傳感器，發(fā)現(xiàn)了能夠揭示計(jì)劃在熱量、光線或昆蟲(chóng)或細(xì)菌攻擊等應(yīng)力時(shí)發(fā)出的信號(hào)。
傳感器檢測(cè)植物用來(lái)協(xié)調(diào)應(yīng)激反應(yīng)的兩種信號(hào)分子：過(guò)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(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生這些分子，形成獨(dú)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(cè)對(duì)作物的潛在威脅，從而在作物損失前進(jìn)行干預(yù)。
“我們發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)傳感器合起來(lái)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(shí)時(shí)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(jí)作者之一Michael Strano說(shuō)。
新加坡淡馬錫生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)首席研究員Sarojam Rajani也是該論文的高級(jí)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(shí)驗(yàn)室的研究官Jolly Madathiparambil Saju。
植物對(duì)不同類型的壓力有不同的反應(yīng)。2020年，斯特拉諾的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種傳感器，可以檢測(cè)過(guò)氧化氫，植物細(xì)胞在遭受昆蟲(chóng)攻擊或遭遇細(xì)菌感染、過(guò)強(qiáng)光照等壓力時(shí)，將其作為求救信號(hào)。
這些傳感器由包裹在聚合物中的微小碳納米管組成。通過(guò)改變聚合物的三維結(jié)構(gòu)，傳感器可以定制以檢測(cè)不同分子，當(dāng)目標(biāo)存在時(shí)發(fā)出熒光信號(hào)。在這項(xiàng)新研究中，研究人員利用這一方法開(kāi)發(fā)了一種能夠檢測(cè)水楊酸的傳感器，水楊酸是一種參與調(diào)控植物生長(zhǎng)、發(fā)育及對(duì)應(yīng)激反應(yīng)的多個(gè)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(guò)稱為氣孔的孔進(jìn)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(shí)，信號(hào)可以通過(guò)紅外攝像頭輕松檢測(cè)到。
葉片上的一對(duì)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(shí)，如本例，左側(cè)會(huì)有移動(dòng)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(hào)。相反，當(dāng)植物受到過(guò)熱、過(guò)強(qiáng)光或細(xì)菌感染的壓力時(shí)，不同波形的水楊酸伴隨左側(cè)的雙氧水波。圖片來(lái)源：自然傳播（2024年）。DOI：10.1038/s41467-024-47082-1
在這項(xiàng)研究中，研究人員將過(guò)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(guó)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(qiáng)烈光線、昆蟲(chóng)叮咬和細(xì)菌感染——發(fā)現(xiàn)植物對(duì)每種壓力都有獨(dú)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(guò)氧化氫，一小時(shí)內(nèi)達(dá)到最大水平后恢復(fù)正常。熱量、光線和細(xì)菌感染在刺激后兩小時(shí)內(nèi)都會(huì)在不同時(shí)間點(diǎn)引發(fā)水楊酸的產(chǎn)生。昆蟲(chóng)叮咬完全不會(huì)刺激水楊酸的產(chǎn)生。
斯特拉諾說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)代表了植物用來(lái)協(xié)調(diào)應(yīng)對(duì)壓力的“語(yǔ)言”。過(guò)氧化氫和水楊酸波會(huì)觸發(fā)額外的反應(yīng)，幫助植物在面對(duì)各種壓力時(shí)存活。
對(duì)于昆蟲(chóng)叮咬這樣的壓力，這種反應(yīng)包括產(chǎn)生昆蟲(chóng)不喜歡的化學(xué)物質(zhì)，驅(qū)趕昆蟲(chóng)遠(yuǎn)離植物。水楊酸和過(guò)氧化氫還能激活信號(hào)通路，促進(jìn)蛋白質(zhì)的生成，幫助植物應(yīng)對(duì)熱和其他壓力。
“植物沒(méi)有大腦，也沒(méi)有中樞神經(jīng)系統(tǒng)，但它們進(jìn)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(dá)天氣變得過(guò)熱，或者昆蟲(chóng)捕食者正在攻擊的方式，”斯特拉諾說(shuō)。
該技術(shù)是首個(gè)能夠從植物中獲取實(shí)時(shí)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(jiàn)的實(shí)驗(yàn)植物擬南芥，無(wú)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(cè)的哨兵植物，以便在農(nóng)作物承受壓力時(shí)更早地預(yù)警。例如，當(dāng)植物水分不足時(shí)，它們最終會(huì)開(kāi)始變褐，但到那時(shí)通常已經(jīng)太晚，無(wú)法及時(shí)干預(yù)。
“隨著氣候變化和人口增長(zhǎng)，迫切需要更好地理解植物如何應(yīng)對(duì)和適應(yīng)壓力，同時(shí)設(shè)計(jì)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(jí)副教授埃萊尼·斯塔夫里尼杜說(shuō)：“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(hào)的機(jī)制性�！�
這項(xiàng)技術(shù)還可以開(kāi)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(xiàng)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(shí)時(shí)信息，并且足夠快讓他們能夠介入，”斯特拉諾說(shuō)。
研究人員還在開(kāi)發(fā)可用于檢測(cè)其他植物信號(hào)分子的傳感器，希望能更多地了解它們對(duì)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(hào)波》，Nature Communications（2024年）。DOI：10.1038/s41467-024-47082-1
期刊信息：自然通訊
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