麻省理工研發(fā)新型碳納米傳感器，可監(jiān)測植物健康狀況

　　4月16日消息，據(jù)外媒報道，麻省理工學院（MIT）的工程師們已經(jīng)開發(fā)出一種方法，可以使用碳納米管制成的傳感器緊密跟蹤植物如何應(yīng)對諸如傷害、感染和光害等壓力。這些傳感器可以嵌入植物的葉子中，并在其中報告過氧化氫信號波。

　　麻省理工學院的化學工程師設(shè)計了一種傳感器，該傳感器可以嵌入植物的葉子中并測量過氧化氫的水平，表明已經(jīng)發(fā)生了破壞。信號可以發(fā)送到附近的智能手機。圖片：Felice Frankel）

　　植物利用過氧化氫在其葉片內(nèi)部進行通訊，發(fā)出求救信號，刺激葉細胞產(chǎn)生化合物，從而幫助其修復(fù)損害或抵御諸如昆蟲的食肉動物，新的傳感器可以使用這些過氧化氫信號來區(qū)分不同類型的壓力以及不同種類的植物。

　　麻省理工學院碳P.杜布斯化學工程教授邁克爾·斯特拉諾（Michael Strano）說：“植物具有非常復(fù)雜的內(nèi)部溝通形式，我們現(xiàn)在可以首次觀察到這種溝通形式。這意味著我們可以實時看到活體植物的反應(yīng)，傳達其所承受的特定壓力類型?！?/p>

　　這種傳感器可用于研究植物如何應(yīng)對不同類型的脅迫，從而有可能幫助農(nóng)業(yè)科學家制定提高作物產(chǎn)量的新策略。研究人員在菠菜、草莓植物和芝麻菜等八種不同的植物物種中證明了他們的方法，他們相信這種方法可以在更多的植物中起作用。

　　嵌入式傳感器可跟蹤植物健康狀況

　　在過去的幾年里，斯特拉諾的實驗室一直在探索“納米仿生植物”的工程潛力——這種植物含有納米材料，可以賦予植物新的功能，例如發(fā)光或檢測缺水。在這項新研究中，他著手采用可以報告植物健康狀況的傳感器。

　　斯特拉諾實驗室之前已經(jīng)開發(fā)了碳納米管傳感器，可以檢測包括過氧化氫在內(nèi)的各種分子，大約三年前，斯特拉諾開始嘗試將這些傳感器整合到植物葉片中。通常在植物分子研究中使用的擬南芥研究表明，植物可能使用過氧化氫作為信號分子，但其確切作用尚不清楚。

　　斯特拉諾使用一種稱為脂質(zhì)交換包膜穿透（LEEP）的方法將傳感器整合到植物葉片中，幾年前開發(fā)的LEEP允許設(shè)計可穿透植物細胞膜的納米顆粒，當斯特拉諾致力于嵌入碳納米管傳感器時，他偶然發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)狀。

　　他說：“我正在訓練自己以熟悉該技術(shù)，在訓練過程中，我不小心在植物上造成了傷口，然后，我看到了這種過氧化氫信號的演變?！?/p>

　　他看到葉子受傷后，過氧化氫從傷口處釋放出來，并產(chǎn)生了一條沿葉子擴散的波，類似于神經(jīng)元在我們的大腦中傳遞電脈沖的方式。當植物細胞釋放過氧化氫時，它會觸發(fā)相鄰細胞內(nèi)的鈣釋放，從而刺激這些細胞釋放更多的過氧化氫。

　　斯特拉諾說：“就像多米諾骨牌不斷下降一樣，它形成的波傳播比單獨的過氧化氫泡芙傳播得多，波本身由接收和傳播它的細胞提供動力?！?/p>

　　大量的過氧化氫刺激植物細胞產(chǎn)生稱為次生代謝產(chǎn)物的分子，例如類黃酮或類胡蘿卜素，可幫助它們修復(fù)損害。一些植物還產(chǎn)生其他次生代謝產(chǎn)物，可以分泌這些代謝產(chǎn)物以抵御捕食者，這些代謝產(chǎn)物通常是我們在食用植物中所需要的食物風味的來源，并且它們僅在脅迫下產(chǎn)生。

        新的傳感技術(shù)可快速跟蹤八種植物的波形并發(fā)出警報

　　新的傳感技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢在于它可以用于許多不同的植物物種。傳統(tǒng)上，植物生物學家在某些適合遺傳操作的植物中進行了許多分子生物學研究，包括擬南芥和煙草植物，但是，新的MIT方法可適用于任何工廠。

　　斯特拉諾說：“在這項研究中，我們能夠快速比較八種植物，而舊工具無法做到這一點?！?/p>

　　研究人員測試了草莓植物、菠菜、芝麻菜、生菜、豆瓣菜和漿草，發(fā)現(xiàn)不同的物種似乎產(chǎn)生不同的波形-通過繪制隨時間變化的過氧化氫濃度而產(chǎn)生的獨特形狀。他們假設(shè)每種植物的反應(yīng)都與其抵抗損害的能力有關(guān)，每個物種對不同類型的壓力（包括機械傷害、感染以及熱或光損傷）的反應(yīng)也不同。

　　斯特拉諾說：“該波形為每個物種保存了大量信息，更令人興奮的是，給定植物的脅迫類型已編碼在該波形中，可以查看工廠在幾乎任何新環(huán)境中所經(jīng)歷的實時響應(yīng)。”

　　該傳感器產(chǎn)生的近紅外熒光可以用連接到Raspberry Pi的小型紅外相機成像，Raspberry Pi是一臺信用卡大小的計算機，售價35美元，類似于智能手機內(nèi)部的計算機。

　　斯特拉諾說：“非常便宜的儀器可以用來捕獲信號，這項技術(shù)的應(yīng)用包括篩選不同種類的植物以抵抗機械損傷、光、熱和其他形式的脅迫，它也可以用來研究不同物種對病原體的反應(yīng)，例如引起柑橘變綠的細菌和引起咖啡銹的真菌。我感興趣的事情之一就是了解為什么某些類型的植物對這些病原體表現(xiàn)出一定的免疫力，而另一些則無法免疫。我們的傳感器使我們能夠截獲該應(yīng)力信號，并準確了解工廠上游和下游發(fā)生的條件和機制，從而避免產(chǎn)生陰影。”