Onderzoekers ontwikkelen de eerste nanobuissensoren die gibberelline-planthormonen kunnen detecteren en onderscheiden

Onderzoekers van de Disruptive & Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) Interdisciplinaire Onderzoeksgroep (IRG) van Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), de onderzoeksonderneming van MIT in Singapore en hun medewerkers van Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) hebben ontwikkeld de allereerste nanosensor die gibberellines (GA’s) kan detecteren en onderscheiden, een klasse hormonen in planten die belangrijk zijn voor groei.

De nieuwe nanosensoren zijn niet-destructief, in tegenstelling tot conventionele verzamelmethoden, en zijn met succes getest in levende planten. In het veld toegepast voor monitoring van plantstress in een vroeg stadium, kunnen de sensoren transformatief blijken te zijn voor de landbouw en plantenbiotechnologie, waardoor boeren die geïnteresseerd zijn in hightech precisielandbouw en gewasbeheer een waardevol hulpmiddel krijgen om de opbrengst te optimaliseren.

De onderzoekers ontwierpen nabij-infrarood (NIR) fluorescerende koolstof nanobuissensoren die twee plantenhormonen, GA3 en GA4, kunnen detecteren en onderscheiden. Behorend tot een klasse van plantenhormonen die bekend staat als gibberellines (GA’s), zijn GA3 en GA4 diterpenoïde fytohormonen die worden geproduceerd door planten en die een belangrijke rol spelen bij het moduleren van diverse processen die betrokken zijn bij de groei en ontwikkeling van planten.

Aangenomen wordt dat GA’s een rol hebben gespeeld in de drijvende krachten achter de ‘groene revolutie’ van de jaren zestig, die op zijn beurt werd gecrediteerd voor het afwenden van hongersnood en het redden van de levens van velen wereldwijd. De voortdurende studie van gibberellines zou kunnen leiden tot verdere doorbraken in de landbouwwetenschap en implicaties hebben voor de voedselzekerheid.

Klimaatverandering, opwarming van de aarde en stijgende zeespiegel zorgen ervoor dat landbouwgrond verontreinigd raakt door zout water, waardoor het zoutgehalte van de bodem toeneemt. Op zijn beurt is bekend dat een hoog zoutgehalte in de bodem de GA-biosynthese negatief reguleert en het GA-metabolisme bevordert, wat resulteert in een vermindering van het GA-gehalte in planten.

De nieuwe nanosensoren die door de SMART-onderzoekers zijn ontwikkeld, maken het mogelijk om de GA-dynamiek in levende planten onder zoutstress in een zeer vroeg stadium te bestuderen, waardoor boeren mogelijk vroegtijdig kunnen ingrijpen wanneer ze uiteindelijk in het veld worden toegepast. Dit vormt de basis van stressdetectie in een vroeg stadium.

Momenteel vereisen methoden om GA3 en GA4 te detecteren doorgaans op massaspectroscopie gebaseerde analyse, een tijdrovend en destructief proces. De nieuwe sensoren die door de onderzoekers zijn ontwikkeld, zijn daarentegen zeer selectief voor de respectievelijke GA’s en bieden real-time, in vivo monitoring van veranderingen in GA-niveaus in een breed scala van plantensoorten.

Beschreven in een paper gepubliceerd in Nano-brieven, vertegenwoordigt het onderzoek een doorbraak voor de detectie van plantenstress in een vroeg stadium en heeft het een enorm potentieel om de plantenbiotechnologie en landbouw vooruit te helpen. Dit artikel bouwt voort op eerder onderzoek door het team van SMART DiSTAP naar enkelwandige op koolstof nanobuizen gebaseerde (SWNT-gebaseerde) nanosensoren met behulp van het corona-fase moleculaire herkenningsplatform (CoPhMoRe).

Gebaseerd op het CoPhMoRe-concept ontwikkeld door het Strano Lab aan het MIT, zijn de nieuwe sensoren in staat om GA-kinetiek te detecteren in de wortels van een verscheidenheid aan model- en niet-modelplantensoorten, waaronder Arabidopsis, sla en basilicum, evenals GA-accumulatie tijdens opkomst van zijwortels, wat het belang van GA in de architectuur van het wortelsysteem benadrukt.

Dit werd mogelijk gemaakt door de gerelateerde ontwikkeling van de onderzoekers van een nieuwe gekoppelde Raman/NIR fluorimeter die zelfreferentie van nanosensor NIR-fluorescentie mogelijk maakt met zijn Raman G-band, een nieuwe hardware-innovatie die de behoefte aan een afzonderlijke referentie-nanosensor wegneemt en het aanzienlijk vereenvoudigt de instrumentatievereisten door een enkel optisch kanaal te gebruiken om de hormoonconcentratie te meten.

Met behulp van de omkeerbare GA-nanosensoren ontdekten de onderzoekers verhoogde endogene GA-niveaus in mutante planten die grotere hoeveelheden GA20ox1 produceerden, een sleutelenzym in GA-biosynthese, evenals verlaagde GA-niveaus in planten onder zoutgehaltestress. Bij blootstelling aan stress door het zoutgehalte ontdekten onderzoekers ook dat de slagroei ernstig werd belemmerd – een indicatie die pas na 10 dagen duidelijk werd.

De GA-nanosensoren daarentegen rapporteerden na slechts 6 uur verlaagde GA-niveaus, wat hun werkzaamheid aantoonde als een veel eerdere indicator van zoutgehaltestress.

“Onze CoPhMoRe-techniek stelt ons in staat om nanodeeltjes te maken die zich gedragen als natuurlijke antilichamen doordat ze specifieke moleculen kunnen herkennen en eraan kunnen hechten. Maar ze zijn meestal veel stabieler dan alternatieven. We hebben deze methode gebruikt om met succes nanosensoren te maken voor plantsignalen zoals waterstofperoxide en verontreinigende stoffen van zware metalen zoals arseen in planten en bodem. De methode werkt om sensoren te creëren voor organische moleculen zoals synthetisch auxine – een belangrijk plantenhormoon – zoals we hebben aangetoond. Deze laatste doorbraak breidt dit succes nu uit naar een plantenhormoonfamilie genaamd gibberellines – een buitengewoon moeilijke om te herkennen, “zei co-corresponderende auteur, DiSTAP co-lead Principal Investigator Professor Michael Strano en Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering aan het MIT.

“De resulterende technologie biedt een snelle, real-time en in vivo methode om veranderingen in GA-niveaus in vrijwel elke plant te volgen, en kan de huidige detectiemethoden vervangen die arbeidsintensief, destructief, soortspecifiek en veel minder efficiënt zijn.”

Dr. Mervin Chun-Yi Ang, Associate Scientific Director bij DiSTAP en mede-eerste auteur van het artikel, voegde toe: “Meer dan alleen een doorbraak in de detectie van plantstress, hebben we ook een hardware-innovatie gedemonstreerd in de vorm van een nieuwe gekoppelde Raman /NIR fluorimeter die zelfreferentie van SWNT-sensorfluorescentie mogelijk maakte met zijn Raman G-band, wat een grote vooruitgang betekent in de vertaling van onze nanosensing-toolsets naar het veld.

“In de nabije toekomst kunnen onze sensoren worden gecombineerd met goedkope elektronica, draagbare optodes of micronaaldinterfaces voor industrieel gebruik, waardoor de manier waarop de industrie plantstress in voedselgewassen screent en vermindert, wordt getransformeerd en mogelijk de groei en opbrengst worden verbeterd.”

De nieuwe sensoren kunnen nog een verscheidenheid aan industriële toepassingen en use-cases hebben. Zoals TLL-hoofdonderzoeker, NUS Adjunct-assistent-professor Daisuke Urano en co-corresponderende auteur van het artikel uitlegde: “GA’s staan ​​erom bekend een breed scala aan plantontwikkelingsprocessen te reguleren, van scheut-, wortel- en bloemontwikkeling tot zaadontkieming en plantenstress. reacties. Met de commercialisering van GA’s worden deze plantenhormonen ook verkocht aan telers en boeren als plantengroeiregulatoren om plantengroei en zaadontkieming te bevorderen. Onze nieuwe GA-nanosensoren kunnen in het veld worden toegepast voor monitoring van plantenstress in een vroeg stadium, en ook kunnen door telers en boeren worden gebruikt om de opname of het metabolisme van GA in hun gewassen te volgen.”

Het ontwerp en de ontwikkeling van de nanosensoren, het creëren en valideren van de gekoppelde Raman/NIR fluorimeter en gerelateerde algoritmen voor beeld-/gegevensverwerking, evenals de statistische analyse van uitlezingen van plantensensoren voor deze studie werd gedaan door SMART en MIT; terwijl TLL verantwoordelijk was voor het ontwerp, de uitvoering en de analyse van plantgerelateerde onderzoeken, waaronder de validatie van nanosensoren in levende planten.