First-of-of-in-Kind Nanosensor zorgt voor realtime ijzerdetectie in planten

Onderzoekers hebben een bijna-infrarood (NIR) fluorescerende nanosensor ontwikkeld die tegelijkertijd kan detecteren en onderscheid te maken tussen ijzeren vormen-Fe (II) en Fe (III)-in levende planten.

Het papier, getiteld “Nanosensor voor Fe (II) en Fe (III) waardoor spatiotemporele detectie in Planta mogelijk is“is gepubliceerd in Nano letters.

De samenwerking omvat onderzoekers van de Disruptive & Sustainable Technologies for Agricultural Precision (Distap) Interdisciplinary Research Group (IRG) van Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), MIT’s Research Enterprise in Singapore, in samenwerking met Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) en Massachusetts Institute of Technology (MIT), MIT), MIT), MIT), MIT), MIT), MIT), MIT), MIT) en Massachusetts Institute of Technology (MIT),

IJzer is cruciaal voor de gezondheid van planten, ter ondersteuning van fotosynthese, ademhaling en enzymfunctie. Het bestaat voornamelijk in twee vormen: Fe (II), die direct beschikbaar is voor planten om te absorberen en te gebruiken, en Fe (III), die eerst moet worden omgezet in Fe (II) voordat planten het effectief kunnen gebruiken.

Traditionele methoden meten alleen totale ijzer en mist het onderscheid tussen deze vormen – een sleutelfactor in plantenvoeding. Het onderscheid tussen Fe (II) en Fe (III) biedt inzichten in de efficiëntie van ijzeropname, helpt bij het diagnosticeren van tekortkomingen of toxiciteiten en maakt precieze bevruchtingsstrategieën in de landbouw mogelijk, waardoor het afval en de impact van het milieu worden verminderd terwijl de productiviteit van het gewas wordt verbeterd.

Deze eerste nanosensor door slimme onderzoekers maakt realtime, niet-destructieve monitoring van ijzeropname, transport en veranderingen tussen de verschillende vormen ervan, zoals Fe (II) en Fe (III), nauwkeurige en gedetailleerde observaties van ijzerdynamica mogelijk.

De hoge ruimtelijke resolutie maakt precieze lokalisatie van ijzer mogelijk in plantenweefsels of subcellulaire compartimenten mogelijk, waardoor het meten van zelfs minuut veranderingen in ijzerspiegels in planten in planten mogelijk kan worden gebracht – deze minuutveranderingen kunnen informeren hoe een plant stress omgaat en voedingsstoffen gebruikt.

Traditionele detectiemethoden zijn destructief of beperkt tot een enkele vorm van ijzer. Deze nieuwe technologie maakt de diagnose van tekortkomingen en optimalisatie van bevruchtingsstrategieën mogelijk. Door het identificeren van onvoldoende of overmatige ijzerinname, kunnen aanpassingen worden aangebracht om de gezondheid van planten te verbeteren, afval te verminderen en een duurzamere landbouw te ondersteunen.

Terwijl de nanosensor werd getest op spinazie en Bok Choy, is het soort-agnostisch, waardoor deze kan worden toegepast over een divers scala van plantensoorten zonder genetische modificatie. Dit vermogen verbetert ons begrip van ijzerdynamiek in verschillende ecologische omgevingen en biedt uitgebreide inzichten in plantengezondheid en voedingsstoffenbeheer.

Als gevolg hiervan dient het als een waardevol hulpmiddel voor zowel fundamentele plantenonderzoek als landbouwtoepassingen, ter ondersteuning van precisie -voedingsstoffenbeheer, het verminderen van meststofafval en het verbeteren van de gezondheid van gewassen.

“IJzer is essentieel voor de groei en ontwikkeling van planten, maar het monitoren van de niveaus in planten is een uitdaging geweest. Deze doorbraaksensor is de eerste in zijn soort om zowel Fe (II) als Fe (III) in levende planten te detecteren met realtime beeldvorming met een hoge resolutie. Met deze technologie kunnen we de juiste hoeveelheid ijzer en landbouwhulpverlening en landbouwholte, dr.

“Bij het mogelijk maken van niet-destructieve realtime tracking van ijzerspeciatie in planten, opent deze sensor nieuwe wegen voor het begrijpen van plant ijzermetabolisme en de implicaties van verschillende ijzervariaties voor planten. Dergelijke kennis zal helpen de ontwikkeling van op maat gemaakte managementbenaderingen te begeleiden om de rendement op de gewas te verbeteren en meer effectieve bodemfertilisatiestrategieën,” zei Dr. Grace Tan, TLL-onderzoeksonderzoekers, TLL-wetenschapsauteur en co-LEAD-auteur van de paper.

Het onderzoek bouwt voort op de gevestigde expertise van Smart Distap in plantennanobionica, waarbij het Corona -fasemoleculaire herkenningsplatform (COPHMORE) wordt gebruikt, ontwikkeld door het Strano Lab bij Smart Distap en MIT.

De nieuwe nanosensor bevat eenmuurde koolstofnanobuisjes (SWNT’s) gewikkeld in een negatief geladen fluorescerend polymeer, waardoor een spiraalvormige coronasasstructuur wordt gevormd die anders interageert met Fe (II) en Fe (III). Bij introductie in plantenweefsels en interactie met ijzer straalt de sensor verschillende NIR-fluorescentiesignalen uit op basis van het ijzertype, waardoor realtime tracking van ijzerbeweging en chemische veranderingen mogelijk is.

De Cophmore -techniek werd gebruikt om zeer selectieve fluorescerende responsen te ontwikkelen, waardoor precieze detectie van ijzeroxidatietoestanden mogelijk is.

De NIR -fluorescentie van SWNT’s biedt superieure gevoeligheid, selectiviteit en weefseltransparantie, terwijl interferentie wordt geminimaliseerd, waardoor het effectiever is dan conventionele fluorescerende sensoren. Met dit vermogen kunnen onderzoekers in realtime ijzerbewegingen en chemische veranderingen volgen met behulp van NIR-beeldvorming.

“Deze sensor biedt een krachtig hulpmiddel om het metabolisme van planten, het transport van voedingsstoffen en stressreacties te bestuderen. Het ondersteunt geoptimaliseerd gebruik van meststoffen, vermindert de kosten en impact op het milieu en draagt ​​bij aan voedzame gewassen, betere voedselzekerheid en duurzame landbouwpraktijken,” zei professor daisuke urano, tll senior onderzoeksonderzoeker, distap-principe-hoofd van de papieren, distap-auteur van de paper van de paper.

“Deze set sensoren geeft ons toegang tot een belangrijk type signalering in planten, en een kritieke voedingsstof die nodig is om planten te maken om chlorofyl te maken. Dit nieuwe hulpmiddel zal niet alleen boeren helpen om voedingsgebrek te detecteren, maar ook toegang geeft tot bepaalde berichten binnen de plant. Het breidt ons vermogen uit om een ​​plant te begrijpen in de reactie van een planten in de groei van het groei, en Distap Co-LEAD-principe van Chemical Enginetisch, CODICE P. Dubs Professor van Chemical Enginet. Co-correspondende auteur van de krant.

Naast de landbouw, heeft deze nanosensor veelbelovend voor milieumonitoring, voedselveiligheid en gezondheidswetenschappen, met name bij het bestuderen van ijzermetabolisme, ijzertekort en ijzergerelateerde ziekten bij mensen en dieren.

Toekomstig onderzoek zal zich richten op het benutten van deze nanosensor om fundamentele plantenstudies te bevorderen over ijzeren homeostase, voedingssignalering en redox -dynamiek. Er zijn ook inspanningen om de nanosensor te integreren in geautomatiseerde voedingsbeheersystemen voor hydrocultuur en bodem gebaseerde landbouw en de functionaliteit ervan uit te breiden om andere essentiële micronutriënten te detecteren. Deze vooruitgang is gericht op het verbeteren van duurzaamheid, precisie en efficiëntie in de landbouw.