MIT-ingenieurs hebben een manier ontwikkeld om nauwkeurig te volgen hoe planten reageren op stress zoals verwondingen, infectie, en lichte schade, met behulp van sensoren gemaakt van koolstofnanobuisjes. Deze sensoren kunnen worden ingebed in plantenbladeren, waar ze rapporteren over waterstofperoxide signaalgolven.

Planten gebruiken waterstofperoxide om binnen hun bladeren te communiceren, een noodsignaal uitzenden dat bladcellen stimuleert om verbindingen te produceren die hen helpen schade te herstellen of roofdieren zoals insecten af ​​​​te weren. De nieuwe sensoren kunnen deze waterstofperoxidesignalen gebruiken om onderscheid te maken tussen verschillende soorten stress, maar ook tussen verschillende soorten planten.

"Planten hebben een zeer geavanceerde vorm van interne communicatie, die we nu voor het eerst kunnen waarnemen. Dat betekent dat in realtime, we kunnen de reactie van een levende plant zien, het communiceren van het specifieke type stress dat het ervaart, " zegt Michael Strano, de Carbon P. Dubbs hoogleraar chemische technologie aan het MIT.

Dit soort sensor zou kunnen worden gebruikt om te bestuderen hoe planten reageren op verschillende soorten stress, mogelijk helpen landbouwwetenschappers nieuwe strategieën te ontwikkelen om de gewasopbrengst te verbeteren. De onderzoekers demonstreerden hun aanpak in acht verschillende plantensoorten, inclusief spinazie, aardbei planten, en rucola, en ze geloven dat het in veel meer zou kunnen werken.

Strano is de senior auteur van de studie, die vandaag verschijnt in Natuur Planten . MIT-afgestudeerde student Tedrick Thomas Salim Lew is de hoofdauteur van het artikel.

Ingebouwde sensoren

In de afgelopen jaren, Het laboratorium van Strano heeft het potentieel onderzocht voor het construeren van "nanobionische planten" - planten die nanomaterialen bevatten die de planten nieuwe functies geven, zoals het uitstralen van licht of het detecteren van watertekorten. In de nieuwe studie hij ging op zoek naar sensoren die zouden rapporteren over de gezondheidsstatus van de planten.

Strano had eerder koolstofnanobuissensoren ontwikkeld die verschillende moleculen kunnen detecteren, inclusief waterstofperoxide. Ongeveer drie jaar geleden, Lew begon te proberen deze sensoren in plantenbladeren op te nemen. Onderzoek naar Arabidopsis thaliana, vaak gebruikt voor moleculaire studies van planten, had gesuggereerd dat planten waterstofperoxide als signaalmolecuul zouden kunnen gebruiken, maar de precieze rol was onduidelijk.

Lew gebruikte een methode die lipide-uitwisselingsenveloppenetratie (LEEP) wordt genoemd om de sensoren in plantenbladeren op te nemen. LEEP, dat Strano's lab enkele jaren geleden ontwikkelde, maakt het mogelijk om nanodeeltjes te ontwerpen die de celmembranen van planten kunnen binnendringen. Terwijl Lew bezig was met het inbedden van de koolstof nanobuissensoren, hij deed een toevallige ontdekking.

"Ik was mezelf aan het trainen om vertrouwd te raken met de techniek, en tijdens de training heb ik per ongeluk een wond aan de plant toegebracht. Toen zag ik deze evolutie van het waterstofperoxidesignaal, " hij zegt.

Hij zag dat nadat een blad gewond was geraakt, waterstofperoxide kwam vrij uit de wond en genereerde een golf die zich langs het blad verspreidde, vergelijkbaar met de manier waarop neuronen elektrische impulsen in onze hersenen doorgeven. Als een plantencel waterstofperoxide afgeeft, het veroorzaakt calciumafgifte in aangrenzende cellen, wat die cellen stimuleert om meer waterstofperoxide af te geven.

"Als dominostenen die achtereenvolgens vallen, dit maakt een golf die zich veel verder kan voortplanten dan een waterstofperoxidewolk alleen zou doen, " zegt Strano. "De golf zelf wordt aangedreven door de cellen die hem ontvangen en verspreiden."

Deze stroom waterstofperoxide stimuleert plantencellen om moleculen te produceren die secundaire metabolieten worden genoemd. zoals flavonoïden of carotenoïden, die hen helpen de schade te herstellen. Sommige planten produceren ook andere secundaire metabolieten die kunnen worden uitgescheiden om roofdieren af ​​te weren. Deze metabolieten zijn vaak de bron van de voedselaroma's die we verlangen in onze eetbare planten, en ze worden alleen geproduceerd onder stress.

Een belangrijk voordeel van de nieuwe detectietechniek is dat deze in veel verschillende plantensoorten kan worden toegepast. traditioneel, plantenbiologen hebben veel van hun moleculair biologisch onderzoek gedaan in bepaalde planten die vatbaar zijn voor genetische manipulatie, waaronder Arabidopsis thaliana en tabaksplanten. Echter, de nieuwe MIT-aanpak is van toepassing op mogelijk elke plant.

"In dit onderzoek, we konden snel acht plantensoorten vergelijken, en dat zou je niet kunnen doen met de oude tools, ' zegt Strano.

De onderzoekers testten aardbeiplanten, spinazie, rucola, sla, waterkers, en zuring, en ontdekte dat verschillende soorten verschillende golfvormen lijken te produceren - de kenmerkende vorm die wordt geproduceerd door de concentratie van waterstofperoxide in de loop van de tijd in kaart te brengen. Ze veronderstellen dat de reactie van elke plant verband houdt met het vermogen om de schade tegen te gaan. Elke soort lijkt ook anders te reageren op verschillende soorten stress, inclusief mechanisch letsel, infectie, en hitte of lichte schade.

"Deze golfvorm bevat veel informatie voor elke soort, en nog spannender is dat het type stress op een bepaalde plant is gecodeerd in deze golfvorm, " Zegt Strano. "Je kunt kijken naar de realtime respons die een plant ervaart in bijna elke nieuwe omgeving."

Stress reactie

De nabij-infrarode fluorescentie die door de sensoren wordt geproduceerd, kan worden afgebeeld met behulp van een kleine infraroodcamera die is aangesloten op een Raspberry Pi, een computer ter grootte van een creditcard van $ 35, vergelijkbaar met de computer in een smartphone. "Er kunnen zeer goedkope instrumenten worden gebruikt om het signaal op te vangen, ' zegt Strano.

Toepassingen voor deze technologie zijn onder meer het screenen van verschillende soorten planten op hun vermogen om mechanische schade te weerstaan, licht, warmte, en andere vormen van stress, zegt Strano. Het kan ook worden gebruikt om te bestuderen hoe verschillende soorten reageren op pathogenen, zoals de bacteriën die citrusvergroening veroorzaken en de schimmel die koffieroest veroorzaakt.

"Een van de dingen waar ik in geïnteresseerd ben, is begrijpen waarom sommige soorten planten bepaalde immuniteit vertonen tegen deze ziekteverwekkers en andere niet, " hij zegt.

Strano en zijn collega's van de interdisciplinaire onderzoeksgroep Disruptive and Sustainable Technology for Agricultural Precision van de MIT-Singapore Alliance for Research and Technology (SMART), MIT's onderzoeksbedrijf in Singapore, zijn ook geïnteresseerd in het bestuderen van hoe planten reageren op verschillende groeiomstandigheden in stadsboerderijen.

Een probleem dat ze hopen aan te pakken, is schaduwvermijding, wat bij veel plantensoorten wordt gezien als ze met een hoge dichtheid worden gekweekt. Dergelijke planten wekken een stressreactie op die hun bronnen gebruikt om groter te worden, in plaats van energie te steken in het produceren van gewassen. Dit verlaagt de totale gewasopbrengst, dus landbouwonderzoekers zijn geïnteresseerd in technische installaties, dus schakel die reactie niet in.

"Onze sensor stelt ons in staat om dat stresssignaal te onderscheppen en precies de omstandigheden en het mechanisme te begrijpen dat stroomopwaarts en stroomafwaarts in de plant plaatsvindt en dat aanleiding geeft tot het vermijden van schaduw, ' zegt Strano.