Universal Nanosensor maakt realtime, niet-destructieve tracking van plantengroeihormoon mogelijk

Onderzoekers hebben ’s werelds eerste bijna-infrarood (NIR) fluorescerende nanosensor ontwikkeld die in staat zijn tot realtime, niet-destructieve en soort-agnostische detectie van indool-3-azijnzuur (IAA)-het primaire bioactieve auxine-hormoon dat de manier waarop planten zich ontwikkelen, groeien en reageren op stress.

Het werk 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).

Auxins, met name IAA, spelen een centrale rol bij het reguleren van belangrijke plantprocessen zoals celdeling, verlenging, wortel- en schietontwikkeling en reactie op omgevingsaanwijzingen zoals licht, warmte en droogte.

Externe factoren zoals licht beïnvloeden hoe auxine beweegt in de plant, temperatuur beïnvloedt hoeveel wordt geproduceerd en een gebrek aan water kan de hormoonbalans verstoren. Wanneer planten geen auxines niet effectief kunnen reguleren, groeien ze mogelijk niet goed, passen ze zich aan aan veranderende omstandigheden of produceren ze zoveel voedsel.

Bestaande IAA -detectiemethoden, zoals vloeistofchromatografie, vereisen plantenmonsters uit de plant te nemen – die een deel ervan schaadt of verwijdert.

Conventionele methoden meten ook de effecten van IAA in plaats van het direct te detecteren, en kunnen niet universeel worden gebruikt voor verschillende plantentypen. Aangezien IAA bovendien kleine moleculen zijn die niet gemakkelijk in realtime kunnen worden gevolgd, moeten biosensoren die fluorescerende eiwitten bevatten in het genoom van de plant worden ingebracht om auxine te meten, waardoor het een fluorescerend signaal voor levende beeldvorming uitzendt.

De nieuw ontwikkelde nanosensor van Smart maakt directe, realtime tracking van auxine-niveaus mogelijk in levende planten met hoge precisie. De sensor maakt gebruik van NIR-beeldvorming om IAA-schommelingen niet-invasief over weefsels zoals bladeren, wortels en zaadlobben te controleren, en het is in staat om chlorofylinterferentie te omzeilen om zeer betrouwbare metingen te garanderen, zelfs in dicht gepigmenteerde weefsels.

De technologie vereist geen genetische modificatie en kan worden geïntegreerd met bestaande landbouwsystemen, het maken van een schaalbaar precisietool om zowel gewasoptimalisatie als fundamentele fundamentele fabriologieonderzoek te bevorderen.

Door realtime te bieden, nauwkeurige metingen van auxine-een hormoon dat centraal staat in de groei van planten en stressrespons-stelt de sensor boeren met eerdere en nauwkeuriger inzichten in de gezondheid van planten.

Met deze inzichten en uitgebreide gegevens kunnen boeren slimmere, gegevensgestuurde beslissingen nemen over irrigatie, levering van voedingsstoffen en snoeien, afgestemd op de werkelijke behoeften van de fabriek-veel verbetering van de groei van de gewassen, het verhogen van stressveerkracht en het verhogen van de opbrengsten.

“We hebben nieuwe technologieën nodig om de problemen van voedselonzekerheid en klimaatverandering wereldwijd aan te pakken. Auxin is een centrale groeisignaal binnen levende planten, en dit werk geeft ons een manier om het aan te tappen om nieuwe informatie te geven aan boeren en onderzoekers,” zei prof. Michael Strano, co-lead hoofdonderzoeker bij Distap en Carbon P. Dubbs-professor van chemische engineering bij MIT en CO-CO-CO-CO-CO-COM-auteur van de paper.

“De toepassingen zijn veel, waaronder vroege detectie van plantenstress, waardoor tijdige interventies mogelijk worden om gewassen te beschermen. Voor stedelijke en binnenboerderijen, waar licht, water en voedingsstoffen al strak worden bestuurd, kan deze sensor een waardevol hulpmiddel zijn bij het verfijnen van groeiomstandigheden met nog grotere precisie om de opbrengst en duurzaamheid te optimaliseren.”

Het onderzoeksteam documenteerde de ontwikkeling van de nanosensor in een paper getiteld “Een bijna-infrarood fluorescerende nanosensor voor directe en realtime meting van indol-3-azijnzuur in planten”, ” gepubliceerd in het dagboek ACS nano.

De sensor bestaat uit eenmuurde koolstofnanobuisjes (SWNT’s) gewikkeld in een speciaal ontworpen polymeer, waardoor het IAA kan detecteren door veranderingen in NIR-fluorescentie-intensiteit.

Met succes getest over meerdere soorten, waaronder Arabidopsis, Nicotiana Benthamiana, Choy Sum en Spinazie, kan de nanosensor IAA -reacties toewijzen onder verschillende omgevingscondities zoals schaduw, weinig licht en hittestress.

“Deze sensor bouwt voort op het lopende werk van Distap in de nanotechnologie en de Cophmore-techniek, die al is gebruikt om andere sensoren te ontwikkelen die belangrijke plantenverbindingen kunnen detecteren, zoals gibberellines en waterstofperoxide,” zei Dr. Duc Thinh Khong, onderzoekswetenschapper bij Distap and Co-First Author of the Paper.

“Door deze aanpak aan te passen voor IAA, dragen we bij aan onze inventaris van nieuwe, precieze en niet-destructieve hulpmiddelen voor het monitoren van de gezondheid van de planten. Uiteindelijk kunnen deze sensoren worden multiplex of gecombineerd om een ​​spectrum van plantengroeimarkers te controleren op meer volledige inzichten in plantfysiologie.”

“This small but mighty nanosensor tackles a long-standing challenge in agriculture: the need for a universal, real-time and non-invasive tool to monitor plant health across various species. Our collaborative achievement not only empowers researchers and farmers to optimize growth conditions and improve crop yield and resilience, but also advances our scientific understanding of hormone pathways and plant-environment interactions,” said Dr. In-Cheol Jang, Senior Hoofdonderzoeker bij TLL en hoofdonderzoeker bij Distap, en co-correcterende auteur van de paper.

Vooruitkijkend, wil het onderzoeksteam meerdere detectieplatforms combineren om tegelijkertijd IAA en de bijbehorende metabolieten te detecteren om een ​​uitgebreid hormoonsignaleringsprofiel te creëren, waardoor diepere inzichten in plantenstressreacties bieden en de precisie -landbouw verbeteren.

Ze werken ook aan het gebruik van micronaadles voor zeer gelokaliseerde, weefselspecifieke detectie en werken samen met industriële stedelijke landbouwpartners om de technologie te vertalen in praktische, veldklaar oplossingen.