活体植物中SA纳米传感器的亚细胞定位。用SA传感器浸透的烟草叶共焦图像，以可视化SA传感器的亚细胞定位：a、e、j 叶绿素自发荧光（红色）、b、f、kSA传感器 青色荧光、c、g、l覆盖和（d， h， m）明场。第1行——SA在表皮细胞外周观察到荧光，表明细胞质定位。第2行——质溶化表皮细胞，显示由缩小的原生质体形成的胞膜空间中SA传感器荧光，如箭头所示。i 放大叠加图像，来自 g 的单元格。图片来源：自然传播（2024年）。DOI：10.1038/s41467-024-47082-1
麻省理工学院和新加坡麻省理工研究与技术联盟（SMART）的研究人员利用一对由碳纳米管制成的传感器，发现了能够揭示计划在热量、光线或昆虫或细菌攻击等应力时发出的信号。
传感器检测植物用来协调应激反应的两种信号分子：过氧化氢和水杨酸（一种类似阿司匹林的分子）。研究人员发现，植物在不同类型的应激下，在不同时间点产生这些分子，形成独特的模式，可以作为早期预警系统。
研究人员表示，农民可以利用这些传感器监测对作物的潜在威胁，从而在作物损失前进行干预。
“我们发现这两个传感器合起来可以准确告诉用户植物承受了什么样的应力。在工厂内部，实时可以看到化学变化的升降，每一次变化都作为不同应力的指纹，“麻省理工学院化学工程Carbon P. Dubbs教授、该研究的高级作者之一Michael Strano说。
新加坡淡马锡生命科学实验室高级首席研究员Sarojam Rajani也是该论文的高级作者，该论文发表于《自然通讯》。论文的主要作者是SMART副科学主任Mervin Chun-Yi Ang和淡马锡生命科学实验室的研究官Jolly Madathiparambil Saju。
植物对不同类型的压力有不同的反应。2020年，斯特拉诺的实验室开发了一种传感器，可以检测过氧化氢，植物细胞在遭受昆虫攻击或遭遇细菌感染、过强光照等压力时，将其作为求救信号。
这些传感器由包裹在聚合物中的微小碳纳米管组成。通过改变聚合物的三维结构，传感器可以定制以检测不同分子，当目标存在时发出荧光信号。在这项新研究中，研究人员利用这一方法开发了一种能够检测水杨酸的传感器，水杨酸是一种参与调控植物生长、发育及对应激反应的多个方面的分子。
为了将纳米传感器嵌入植物中，研究人员将其溶解在溶液中，然后涂抹在植物叶片的背面。这些传感器可以通过称为气孔的孔进入叶片，并寄居在间叶膜——大部分光合作用发生的层。当传感器被激活时，信号可以通过红外摄像头轻松检测到。
叶片上的一对传感器由左侧的双氧水传感器和右侧的水杨酸传感器组成。当植物受伤时，如本例，左侧会有移动波形响应，但水杨酸的产生非常少。这就是受伤的应力信号。相反，当植物受到过热、过强光或细菌感染的压力时，不同波形的水杨酸伴随左侧的双氧水波。图片来源：自然传播（2024年）。DOI：10.1038/s41467-024-47082-1
在这项研究中，研究人员将过氧化氢和水杨酸传感器应用于白菜（一种绿叶蔬菜，也称为白菜或中国白菜）。随后，他们让植物暴露在四种不同类型的压力下——高温、强烈光线、昆虫叮咬和细菌感染——发现植物对每种压力都有独特的反应。
每种压力都导致工厂在几分钟内产生过氧化氢，一小时内达到最大水平后恢复正常。热量、光线和细菌感染在刺激后两小时内都会在不同时间点引发水杨酸的产生。昆虫叮咬完全不会刺激水杨酸的产生。
斯特拉诺说，这些发现代表了植物用来协调应对压力的“语言”。过氧化氢和水杨酸波会触发额外的反应，帮助植物在面对各种压力时存活。
对于昆虫叮咬这样的压力，这种反应包括产生昆虫不喜欢的化学物质，驱赶昆虫远离植物。水杨酸和过氧化氢还能激活信号通路，促进蛋白质的生成，帮助植物应对热和其他压力。
“植物没有大脑，也没有中枢神经系统，但它们进化出能传递不同化学物质的混合物，这就是它们向植物其他部分传达天气变得过热，或者昆虫捕食者正在攻击的方式，”斯特拉诺说。
该技术是首个能够从植物中获取实时信息的技术，也是唯一几乎适用于任何植物的方法。大多数现有传感器由荧光蛋白组成，这些蛋白质必须基因工程化成特定植物类型，如烟草或常见的实验植物拟南芥，无法通用应用。
研究人员现在正在改造这些传感器，制造出可以被监测的哨兵植物，以便在农作物承受压力时更早地预警。例如，当植物水分不足时，它们最终会开始变褐，但到那时通常已经太晚，无法及时干预。
“随着气候变化和人口增长，迫切需要更好地理解植物如何应对和适应压力，同时设计出更具耐受性的植物。
“这部作品揭示了H2O2瑞典林雪平大学生物工程高级副教授埃莱尼·斯塔夫里尼杜说：“水杨酸是植物应激反应中广泛参与的激素，因此有助于理解植物应激信号的机制性。”
这项技术还可以开发不仅能感知植物受损，还能触发反应的系统，比如改变温室的温度或光照量。
“我们正在将这项技术融入诊断系统，能够比任何其他传感器更快地为农民提供实时信息，并且足够快让他们能够介入，”斯特拉诺说。
研究人员还在开发可用于检测其他植物信号分子的传感器，希望能更多地了解它们对应激和其他刺激的反应。
更多信息：Mervin Chun-Yi Ang 等，《利用纳米传感器复用解码活体植物早期应力信号波》，Nature Communications（2024年）。DOI：10.1038/s41467-024-47082-1
期刊信息：自然通讯
由麻省理工学院提供
本报道由麻省理工学院新闻（web.mit.edu/newsoffice/）转载，该网站报道麻省理工研究、创新和教学相关新闻。
