Nanosensoren ontworpen om plantenhormonen te detecteren

Onderzoekers van de Disruptive & Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) Interdisciplinary Research Group (IRG) van de Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), de onderzoeksonderneming van MIT in Singapore en hun lokale medewerkers van het Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) en Nanyang Technological University (NTU) heeft de allereerste nanosensor ontwikkeld waarmee snel synthetische auxine-planthormonen kunnen worden getest. De nieuwe nanosensoren zijn veiliger en minder vervelend dan bestaande technieken voor het testen van de reactie van planten op verbindingen zoals herbiciden, en kunnen transformerend zijn bij het verbeteren van de landbouwproductie en ons begrip van plantengroei.

De wetenschappers ontwierpen sensoren voor twee plantenhormonen – 1-naftaleenazijnzuur (NAA) en 2,4-dichloorfenoxyazijnzuur (2,4D) – die op grote schaal worden gebruikt in de landbouwsector voor respectievelijk het reguleren van de plantengroei en als herbiciden. De huidige methoden om NAA en 2,4D te detecteren, veroorzaken schade aan planten en zijn niet in staat om realtime in vivo monitoring en informatie te bieden.

Gebaseerd op het concept van corona-fase moleculaire herkenning (CoPhMoRe), ontwikkeld door het Strano Lab van SMART DiSTAP en het Massachusetts Institute of Technology (MIT), zijn de nieuwe sensoren in staat om de aanwezigheid van NAA en 2,4D in levende planten snel te detecteren. tempo, het verstrekken van plantinformatie in realtime, zonder enige schade aan te richten. Het team heeft beide sensoren met succes getest op een aantal alledaagse gewassen, waaronder paksoi, spinazie en rijst in verschillende plantmedia zoals aarde, hydrocultuur en plantenweefselkweek.

Uitgelegd in een paper getiteld “Nanosensor Detection of Synthetic Auxins In Planta using Corona Phase Molecular Recognition”, gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift ACS-sensoren, het onderzoek kan een efficiënter gebruik van synthetische auxines in de landbouw vergemakkelijken en een enorm potentieel hebben om het onderzoek naar plantenbiologie vooruit te helpen.

“Onze CoPhMoRe-techniek is eerder gebruikt om verbindingen zoals waterstofperoxide en verontreinigende zware metalen zoals arseen te detecteren, maar dit is het eerste succesvolle geval van CoPhMoRe-sensoren die zijn ontwikkeld voor het detecteren van plantfytohormonen die de plantengroei en -fysiologie reguleren, zoals sprays om voortijdige bloei en het laten vallen van fruit”, zegt DiSTAP co-lead hoofdonderzoeker professor Michael Strano en Carbon P. Dubbs hoogleraar chemische technologie aan het MIT, die het Strano Lab leidt aan het MIT. “Deze technologie kan de huidige state-of-the-art detectiemethoden vervangen die arbeidsintensief, destructief en onveilig zijn.”

Van de twee sensoren die door het onderzoeksteam zijn ontwikkeld, toonde de 2,4D-nanosensor ook het vermogen om de gevoeligheid voor herbiciden te detecteren, waardoor boeren en landbouwwetenschappers snel kunnen ontdekken hoe kwetsbaar of resistent verschillende planten zijn voor herbiciden zonder de noodzaak om gewas of onkruid te controleren groei over dagen. “Dit zou ongelooflijk nuttig kunnen zijn bij het onthullen van het mechanisme achter hoe 2,4D werkt in planten en waarom gewassen herbicideresistentie ontwikkelen”, zegt DiSTAP en TLL hoofdonderzoeker Dr. Rajani Sarojam.

“Ons onderzoek kan de industrie helpen een beter begrip te krijgen van de groeidynamiek van planten en heeft het potentieel om de manier waarop de industrie screent op herbicideresistentie volledig te veranderen, waardoor de noodzaak om de groei van gewassen of onkruid gedurende dagen te volgen, wordt geëlimineerd”, zegt Dr. Mervin Chun-Yi Ang, onderzoekswetenschapper bij DiSTAP. “Het kan worden toegepast op een verscheidenheid aan plantensoorten en plantmedia en kan gemakkelijk worden gebruikt in commerciële opstellingen voor snelle gevoeligheidstests voor herbiciden, zoals stadsboerderijen.”

NTU-professor Mary Chan-Park Bee Eng zegt: “Het gebruik van nanosensoren voor detectie in planta elimineert de noodzaak van uitgebreide extractie- en zuiveringsprocessen, wat tijd en geld bespaart. Ze gebruiken ook zeer goedkope elektronica, waardoor ze gemakkelijk kunnen worden aangepast voor commerciële opstellingen .”

Het team zegt dat hun onderzoek kan leiden tot toekomstige ontwikkeling van real-time nanosensoren voor andere dynamische plantenhormonen en metabolieten in levende planten.

De ontwikkeling van de nanosensor, het optische detectiesysteem en de beeldverwerkingsalgoritmen voor deze studie werd gedaan door SMART, NTU en MIT, terwijl TLL de nanosensoren valideerde en kennis verschafte van plantbiologie en plantsignaleringsmechanismen. Het onderzoek wordt uitgevoerd door SMART en ondersteund door NRF in het kader van het Campus for Research Excellence And Technological Enterprise (CREATE)-programma.