Минимально инвазивный сенсор для обнаружения стресса у растений

Сенсор, способный точно и в реальном времени измерять концентрацию гормонов в растениях с минимальным ущербом, может пролить свет на то, как гормоны влияют на реакцию растений на болезни и стресс. При дальнейшем развитии он также может стать частью сельскохозяйственного инструментария для раннего обнаружения заболеваний или стресса, позволяя фермерам вмешаться до обширного повреждения урожая.

Исследование технологии опубликовано в журнале Science Advances.

В этом исследовании ученые из KAUST сосредоточились на двух гормонах, связанных с реакцией на стресс и болезни: салициловой кислоте и ауксине.

Существующие методы измерения концентрации этих и других гормонов основаны на генной инженерии или деструктивном отборе проб и не могут быть легко применены к немодельным растениям. Хотя они эффективны для лабораторных исследований, они слишком трудоемки и дороги для использования в сельском хозяйстве. Эти методы также дают лишь моментальный снимок, а не возможность непрерывного мониторинга.

Новый сенсор преодолевает эти проблемы. Это электрохимический сенсор, который обнаруживает концентрацию ауксина и салициловой кислоты на основе изменений электроокислительного тока.

Электроды помещаются на поверхность листа, а микроиглы проникают через его внешнюю поверхность. Платиновые микроиглы покрыты матрицей из углеродных нанотрубок и магнетита, создавая сложную поверхность, способную связываться с ауксином и салициловой кислотой.

При приложении напряжения на электродах электроны переносятся от гормонов к микроиглам. Сенсор измеряет этот перенос электронов — электрический ток — для определения концентрации гормонов.

Исследователи показали, что сенсор может измерять ауксин и салициловую кислоту по отдельности и вместе в растениях табака и арабидопсиса. В отличие от других методов обнаружения, сенсор также можно использовать с немодельными растениями, что делает его перспективным инструментом для полевого применения в сельском хозяйстве.

Измерение уровней салициловой кислоты и ауксина может указывать на то, реагирует ли растение на стресс или борется с болезнью.

«Эту технологию можно комбинировать с другими элементами, например, с растениями-часовыми, сконструированными для большей восприимчивости к определенному типу стресса», — объясняет Абдулла Бухамсин, руководивший исследованием.

«Это захватывающий прогресс для науки о растениях и сельского хозяйства, — говорит Халед Салама, старший автор исследования. — Возможность отслеживать стресс растений в реальном времени, не причиняя им вреда, дает окно в их реакцию на сложные условия».

«Это особенно важно для таких стран, как Саудовская Аравия, где экстремальная жара и ограниченные водные ресурсы являются проблемами для фермеров. Такие инструменты могут помочь сделать сельское хозяйство более устойчивым и жизнеспособным здесь и во всем мире».

Прежде чем эту технологию можно будет использовать в полевых условиях, предстоит преодолеть ряд препятствий. Для отслеживания уровня гормонов во времени необходимы повторные измерения, но эффективность сенсора падает по мере накопления материала на электродах. Был введен метод электрохимической очистки, значительно продлевающий срок службы сенсора, но, по словам Бухамсина, этого пока недостаточно для полевого использования.

«Сейчас это отличный исследовательский инструмент. Наша цель — адаптировать его для использования на фермах, — говорит Бухамсин. — Фермеры могли бы развернуть его, обнаружить стресс, понять, что происходит, и вмешаться на ранней стадии. Например, если есть заболевание, они могли бы обнаружить его достаточно рано, чтобы принять меры до распространения патогена. Это уменьшило бы площадь, требующую обработки, и помогло бы смягчить как коммерческие потери, так и потери урожая».