Углеродные нанотрубки в листьях растений детектируют химические сигналы повреждения

Инженеры MIT разработали метод для точного отслеживания реакции растений на стрессовые воздействия, такие как травмы, инфекции и повреждения светом, с помощью датчиков из углеродных нанотрубок. Эти датчики можно внедрять в листья растений, где они регистрируют сигнальные волны перекиси водорода (H₂O₂).

Растения используют H₂O₂ для внутренней коммуникации в листьях, посылая сигнал бедствия, который стимулирует клетки листа производить соединения для восстановления повреждений или защиты от вредителей. Новые датчики могут использовать эти сигналы H₂O₂, чтобы различать типы стресса и виды растений.

"Растения обладают очень сложной формой внутренней коммуникации, которую мы теперь можем наблюдать впервые. Это значит, что в реальном времени мы видим реакцию живого растения, сообщающую о конкретном типе испытываемого стресса", — говорит Майкл Страно, профессор химической инженерии.

Такие датчики можно использовать для изучения реакции растений на стресс, что может помочь в разработке стратегий повышения урожайности. Метод продемонстрировали на восьми видах растений, включая шпинат, клубнику и рукколу.

Внедрённые датчики

Лаборатория Страно несколько лет исследует создание "нанобионических растений" с новыми функциями. Для нового исследования использовали углеродные нанотрубки, способные детектировать H₂O₂.

Для внедрения датчиков в листья применили метод lipid exchange envelope penetration (LEEP), разработанный ранее в лаборатории. В процессе работы исследователи случайно обнаружили, что при повреждении листа H₂O₂ высвобождается из места раны и генерирует распространяющуюся волну, подобную нервным импульсам.

"Как последовательно падающие домино, это создаёт волну, которая может распространяться гораздо дальше, чем отдельный выброс H₂O₂. Сама волна поддерживается клетками, которые её принимают и распространяют", — объясняет Страно.

Этот выброс H₂O₂ стимулирует клетки производить вторичные метаболиты (флавоноиды, каротиноиды) для восстановления или защиты. Эти метаболиты часто являются источником желаемых вкусов в съедобных растениях и производятся только при стрессе.

Ключевое преимущество метода — применимость ко многим видам растений, в отличие от традиционных подходов молекулярной биологии.

Реакция на стресс

Исследователи протестировали растения клубники, шпината, рукколы, салата, кресс-салата и щавеля. Оказалось, что разные виды производят различные "формы волн" — уникальные графики концентрации H₂O₂ во времени. Предполагается, что ответ связан со способностью растения противостоять повреждению. Каждый вид также по-разному реагирует на разные типы стресса: механическое повреждение, инфекцию, тепловой или световой стресс.

"Эта форма волны содержит много информации для каждого вида, и что ещё более удивительно — тип стресса для данного растения закодирован в этой форме волны", — говорит Страно.

Флуоресценцию датчиков в ближнем инфракрасном диапазоне можно фиксировать с помощью недорогой камеры, подключённой к мини-компьютеру Raspberry Pi.

Применение технологии

Возможные применения:

• Скрининг видов растений на устойчивость к механическим повреждениям, свету, теплу.
• Изучение реакции на патогены (например, вызывающие цитрусовое позеленение или кофейную ржавчину).
• Исследование реакции растений на условия городских ферм.

Одна из конкретных проблем — избегание затенения у растений, выращиваемых с высокой плотностью. Этот стрессовый ответ заставляет растения расти в высоту, а не вкладывать энергию в урожай, снижая его yield. Новый датчик позволяет перехватить этот стрессовый сигнал и понять его механизм.