Сенсоры на основе нанотрубок могут стать системой раннего предупреждения для растений

Исследователи из MIT и Сингапурско-Массачусетского альянса исследований и технологий (SMART) создали пару сенсоров из углеродных нанотрубок, которые обнаруживают сигналы стресса у растений, вызванного жарой, светом, атакой насекомых или бактерий.

Сенсоры детектируют две сигнальные молекулы, которые растения используют для координации реакции на стресс: перекись водорода (H2O2) и салициловую кислоту (молекулу, схожую с аспирином). Учёные обнаружили, что растения производят эти молекулы в разные моменты времени для каждого типа стресса, создавая уникальные паттерны, которые могут служить системой раннего предупреждения.

Фермеры смогут использовать такие сенсоры для мониторинга угроз своим культурам, чтобы успеть вмешаться до потери урожая.

Как работает сенсинг стресса

Сенсоры представляют собой углеродные нанотрубки, обёрнутые в полимеры. Изменяя трёхмерную структуру полимеров, сенсоры можно настроить на обнаружение разных молекул, давая флуоресцентный сигнал при наличии цели.

Для внедрения в растение сенсоры растворяют и наносят раствор на нижнюю сторону листа. Они проникают через устьица (stomata) в мезофилл — слой, где происходит большая часть фотосинтеза. Сигнал считывается с помощью инфракрасной камеры.

В этом исследовании сенсоры для H2O2 и салициловой кислоты применили к пак-чой (китайской капусте). Растения подвергли четырём типам стресса:

  1. Высокая температура

  2. Интенсивный свет

  3. Укусы насекомых

  4. Бактериальная инфекция

Были обнаружены характерные ответы на каждый тип стресса:

  • Перекись водорода вырабатывалась при всех видах стресса в течение минут, достигая пика через час, а затем возвращаясь к норме.
  • Салициловая кислота вырабатывалась в ответ на жару, свет и инфекцию в течение двух часов, но в разные моменты времени.
  • Укусы насекомых не стимулировали выработку салициловой кислоты вообще.

Этот дуэт сигнальных молекул создаёт уникальный "отпечаток пальца" для каждого стресса, формируя своеобразный "язык", которым растение координирует свой ответ.

Значение для сельского хозяйства

Данная технология — первая, позволяющая получать информацию от растения в реальном времени, и единственная, применимая практически к любому растению. Большинство существующих сенсоров — это флуоресцентные белки, которые необходимо встроить в геном конкретного вида (например, табака или Arabidopsis thaliana).

Исследователи работают над созданием растений-часовых, которые будут заранее предупреждать фермеров о стрессе. Например, при нехватке воды растения начинают буреть, но к этому моменту вмешаться часто уже поздно.

"С изменением климата и ростом населения крайне необходимо лучше понимать, как растения реагируют и адаптируются к стрессу, а также создавать более устойчивые культуры", — отмечают авторы.

В перспективе технология может лечь в основу систем, которые не только обнаруживают стресс, но и автоматически запускают ответ (например, меняют температуру или освещённость в теплице). Учёные также разрабатывают сенсоры для других сигнальных молекул растений.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.