Растительный патч для детекции стресса в реальном времени

Неблагоприятные условия окружающей среды вызывают у растений стресс, что создает проблемы для садоводов и фермеров. Раннее обнаружение стресса — до появления видимых симптомов — крайне важно.

Исследователи, сообщающие в ACS Sensors, создали носимый патч для растений, который быстро определяет стресс и передает информацию. Электрохимический сенсор крепится непосредственно к живым листьям и мониторит перекись водорода (H₂O₂) — ключевой сигнал бедствия.

Вредители, засуха, экстремальные температуры и инфекции вызывают у растений стресс. В ответ нормальная биохимия нарушается, и растения производят H₂O₂, который также действует как межклеточный сигнал для активации защитных механизмов.

Раннее обнаружение этого химического сигнала может помочь оптимизировать уход за растениями, предотвратить дальнейший ущерб и максимизировать урожайность.

Большинство современных методов детекции H₂O₂ требуют удаления частей растения, многоэтапной обработки или внешних детекторов, чьи показания могут искажаться хлорофиллом.

Лян Дун и коллеги разработали автономный патч для быстрого и точного определения сигналов H₂O₂ от живых растений.

Конструкция и принцип работы

Для создания патча, который крепится к нижней стороне листа, исследователи:

• Сформировали массив микроскопических пластиковых игл на гибкой основе.
• Покрыли эту поверхность гидрогелем на основе хитозана, который преобразует малые изменения концентрации H₂O₂ в измеримые изменения электрического тока.
• В состав гидрогеля включили фермент, реагирующий с H₂O₂ с образованием электронов, и восстановленный оксид графена для проведения этих электронов через сенсор.

Результаты тестирования

Патчи тестировали на живых здоровых растениях сои и табака, сравнивая с растениями, зараженными бактериями (Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000). Результаты:

• Для зараженных культур сенсор генерировал больший электрический ток на стрессированных листьях, чем на здоровых. Уровень тока напрямую коррелировал с количеством H₂O₂.
• Измерения H₂O₂ сенсором были точными и подтверждены традиционными лабораторными анализами.
• Примерно через минуту патчи определяли уровень H₂O₂ в листьях на значительно более низких уровнях, чем ранее сообщалось для игольчатых сенсоров для живых растений.
• Патчи можно было использовать повторно до 9 раз до деформации микроигл.

Перспективы

Новая стратегия предоставляет информацию для эффективного принятия решений в растениеводстве. «Мы можем проводить прямые измерения менее чем за минуту, стоимостью менее доллара за тест», — говорит Лян Дун. «Этот прорыв значительно упростит анализ, сделав практичным для фермеров использование нашего патч-сенсора для мониторинга болезней сельскохозяйственных культур в реальном времени».

Следующим шагом исследователи видят усовершенствование технологии и повышение ее многоразовости.