Новый биосенсор позволяет отслеживать поглощение сахарозы растениями в реальном времени

Сахароза — жизненно важный источник энергии для растений, движущая сила роста и важная сигнальная молекула. Это ключевой продукт фотосинтеза и основная форма сахара для дальнего транспорта. Однако отслеживание сахарозы в живых растениях в реальном времени оставалось сложной задачей из-за отсутствия подходящих in vivo сенсоров.

Исследователи из Университета Васэда под руководством профессора Такэо Миякэ и их коллеги разработали гибкий игольчатый ферментный биосенсор, который можно вводить в ткани растений для измерения концентрации сахарозы в реальном времени. Результаты опубликованы в журнале Biosensors and Bioelectronics.

Устройство и характеристики сенсора

Биосенсор объединяет многоферментный анод (глюкозооксидаза, инвертаза и мутаротаза), способный катализировать превращение сахарозы в глюкозу и детектировать её присутствие электрохимически. Катод был на основе билирубиноксидазы и работал с уникальным агарозным гелем.

Сенсор показал высокую чувствительность с пределом обнаружения 100 µM, диапазоном до 60 mM, временем отклика 90 секунд и стабильной работой более 72 часов. Устройство можно было плавно вводить в стебли и плоды с минимальными повреждениями.

Новые биологические открытия

Используя сенсор, команда обнаружила суточный ритм транспорта сахарозы в стеблях гуавы земляничной (Psidium cattleianum). Уровень сахарозы достигал пика ночью, что согласуется с перераспределением фотосинтетических сахаров.

В экспериментах с японским криптомерием (Cryptomeria japonica) листья погружали в раствор сахарозы, чередуя свет и темноту. Биосенсор в стебле детектировал рост концентрации сахарозы только в условиях освещения, когда устьица открыты. Это впервые продемонстрировало опосредованное устьицами поглощение сахарозы у высшего растения.

Для подтверждения пути через устьица использовали воду, меченную стабильным изотопом кислород-18. Анализ показал более высокий уровень изотопа в освещённых листьях. Также наблюдалась временная задержка около 45 минут между освещением и ростом сахарозы в стебле, что соответствует известным скоростям транспорта во флоэме.

Перспективы

Текущая версия сенсора предназначена для краткосрочных лабораторных экспериментов. Будущие разработки могут включать беспроводную передачу данных и снижение инвазивности для долгосрочного мониторинга в полевых условиях. Исследователи планируют применять сенсор для изучения динамики сахаров в корнях, семенах и репродуктивных органах, что может помочь в оптимизации урожайности и моделировании роста.