Датчики, які виявляють сигнальні молекули рослин, можуть виявити, коли посіви зазнають надто багато світла або тепла, а також атаку комах або мікробів.
Використовуючи пару датчиків, виготовлених із вуглецевих нанотрубок, дослідники з Массачусетського технологічного інституту та Альянсу Сінгапуру і MIT з досліджень і технологій (SMART) виявили сигнали, які показують, коли плани зазнають стресів, як-от спека, світло або напад комах чи бактерій.
Сенсори виявляють дві сигнальні молекули, які рослини використовують для координації своєї реакції на стрес: перекис водню і саліцилову кислоту (молекула, схожа на аспірин). Дослідники виявили, що рослини виробляють ці молекули в різні моменти часу для кожного типу стресу, створюючи особливі закономірності, які можуть слугувати системою раннього попередження.
Потенційні загрози
За словами дослідників, фермери можуть використовувати ці датчики для моніторингу потенційних загроз для своїх посівів, що дасть їм змогу втрутитися до того, як урожай буде втрачено.
“Ми виявили, що ці два датчики разом можуть точно сказати користувачеві, який саме стрес відчуває рослина. Усередині заводу в реальному часі відбуваються хімічні зміни, які посилюються й слабшають, і кожна з них слугує відбитком певного стресу”, – каже Майкл Страно, професор хімічної інженерії Carbon P. Dubbs у Массачусетському технологічному університеті. Dubbs у Массачусетському технологічному інституті та один зі старших авторів дослідження. Страно також є співкерівником дослідницької групи «Проривні та стійкі технології для точного сільського господарства» в SMART.
Сароджам Раджані, старший науковий співробітник Лабораторії біологічних наук Темасек у Сінгапурі, також є старшим автором статті, опублікованої в журналі Nature Communications. Провідними авторами статті є Мервін Чун-І Анг, заступник наукового директора SMART, і Джоллі Мадатіпарамбіл Саджу, науковий співробітник лабораторії біологічних наук Темасек.
Відчуття стресу
Рослини по-різному реагують на різні види стресу. У 2020 році лабораторія Страно розробила датчик, який може виявляти перекис водню, який рослинні клітини використовують як сигнал лиха, коли вони піддаються нападу комах або стикаються з іншими стресами, як-от бактеріальна інфекція або занадто багато світла.
Ці датчики складаються з крихітних вуглецевих нанотрубок, обгорнутих полімерами. Змінюючи тривимірну структуру полімерів, датчики можна адаптувати для виявлення різних молекул, випромінюючи флуоресцентний сигнал за наявності цілі. У новому дослідженні вчені використовували цей підхід для розробки датчика, який може виявляти саліцилову кислоту – молекулу, що бере участь у регулюванні багатьох аспектів росту, розвитку та реакції рослин на стрес.
Щоб впровадити наносенсори в рослини, дослідники розчиняють їх у розчині, який потім наносять на нижній бік листка рослини. Сенсори можуть проникати в листя через пори, звані продихами, і селитися в мезофілі – шарі, де відбувається більша частина фотосинтезу. Коли датчик активовано, сигнал можна легко виявити за допомогою інфрачервоної камери.