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 Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) en Nanyang Technological University (NTU) hebben de allereerste nanosensor ontwikkeld om snel testen van synthetische auxine-planthormonen mogelijk te maken. De nieuwe nanosensoren zijn veiliger en minder vervelend dan bestaande technieken voor het testen van de reactie van planten op verbindingen zoals herbicide, en kan 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 plantengroei en als herbiciden. Huidige methoden om NAA en 2 te detecteren, 4D veroorzaakt schade aan planten, en zijn niet in staat om realtime in vivo monitoring en informatie te verstrekken.

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), de nieuwe sensoren kunnen de aanwezigheid van NAA en 2 detecteren, 4D in levende planten in een snel tempo, het verstrekken van fabrieksinformatie in realtime, zonder schade aan te richten. Het team heeft beide sensoren met succes getest op een aantal alledaagse gewassen, waaronder paksoi, spinazie en rijst over 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 plantenfytohormonen die de plantengroei en -fysiologie reguleren, zoals sprays om voortijdige bloei en het laten vallen van fruit te voorkomen, " zegt DiSTAP co-lead Principal Investigator Professor Michael Strano en Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering aan het MIT, die het Strano Lab leidt aan het MIT. "Deze technologie kan de huidige state-of-the-art detectiemethoden vervangen die omslachtig, destructief, en onveilig."

Van de twee sensoren ontwikkeld door het onderzoeksteam, De 2, 4D-nanosensor toonde ook het vermogen om herbicidegevoeligheid te detecteren, waardoor boeren en landbouwwetenschappers snel kunnen ontdekken hoe kwetsbaar of resistent verschillende planten zijn voor herbiciden zonder de noodzaak om de groei van gewassen of onkruid gedurende dagen te volgen. "Dit kan ongelooflijk nuttig 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, het elimineren van de noodzaak om de groei van gewassen of onkruid over dagen te volgen, " 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 aan te passen zijn voor commerciële opstellingen."

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

De ontwikkeling van de nanosensor, optisch opsporingssysteem, en beeldverwerkingsalgoritmen voor dit onderzoek zijn gedaan door SMART, NTU en MIT, terwijl TLL de nanosensoren valideerde en kennis verschafte van plantenbiologie 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.