_ Cercetătorii lansează o metodă de detectare a deshidratării în plante

Te-ai întrebat vreodată dacă plantele tale au fost uscate și deshidratate sau dacă nu le udați suficient? Fermierii și entuziaștii cu degetele verzi deopotrivă ar putea avea în curând o modalitate de a afla acest lucru în timp real. În ultimul deceniu, cercetătorii au lucrat la senzori pentru a detecta o gamă largă de compuși chimici, iar un blocaj critic a fost dezvoltarea senzorilor care pot fi utilizați în sistemele biologice vii.

Totul este gata să se schimbe. cu noi senzori de la Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) care pot detecta modificările pH-ului plantelor vii – un indicator al stresului cauzat de secetă în plante – și permit detectarea și gestionarea în timp util a stresului cauzat de secetă înainte de a duce la pierderi ireversibile de randament.

Cercetătorii de la grupul de cercetare interdisciplinară (IRG) Disruptive & Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) al SMART, întreprinderea de cercetare a MIT din Singapore, în colaborare cu Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) și Massachusetts Institute of Technology (MIT), au fost pionierul primilor senzori Covalent Organic Framework (COF) din lume integrați în mătase microace de fibroină (SF) pentru detectarea în plantă a modificărilor fiziologice ale pH-ului.

Această tehnologie avansată poate detecta o reducere a acidității în țesuturile xilemului plantelor, oferind avertizare timpurie asupra stresului cauzat de secetă la plante cu până la 48 de ore înaintea tradițională. metode.

Seceta – sau lipsa de apă – este un factor de stres semnificativ care duce la un randament mai scăzut prin afectarea căilor metabolice cheie ale plantelor, reducerea dimensiunii frunzelor, extinderea tulpinii și proliferarea rădăcinilor. Dacă este prelungită, poate provoca în cele din urmă decolorarea, ofilirea și moartea plantelor.

Deoarece provocările agricole – inclusiv cele generate de schimbările climatice, costurile în creștere și lipsa spațiului pe teren – continuă să crească și să afecteze negativ producția de culturi. și randament, fermierii sunt adesea în imposibilitatea de a implementa măsuri proactive sau diagnosticare pre-simptomatică pentru o intervenție timpurie și în timp util.

Acest lucru subliniază necesitatea unei integrări îmbunătățite a senzorilor care poate facilita evaluările in vivo și intervențiile în timp util în practicile agricole.

„Acest tip de senzor poate fi atașat cu ușurință la plantă și interogat cu instrumente simple. Prin urmare, poate aduce analize puternice. , la fel ca instrumentele pe care le dezvoltăm în cadrul DISTAP, în mâinile fermierilor și cercetătorilor deopotrivă”, a declarat profesorul Michael Strano, co-autor corespondent, Co-Lead Principal Investigator DiSTAP și Carbon P. Dubbs, profesor de inginerie chimică la MIT.

Descoperirea SMART abordează o provocare de lungă durată pentru senzorii bazați pe COF, care nu erau – până acum – incapabili să interacționeze cu țesuturile biologice. COF-urile sunt rețele de molecule organice sau polimeri – care conțin atomi de carbon legați de elemente precum hidrogenul, oxigenul sau azotul – aranjați în structuri consistente, asemănătoare cristalelor, care își schimbă culoarea în funcție de diferite niveluri de pH.

Ca secetă. stresul poate fi detectat prin modificări ale nivelului pH-ului în țesuturile plantelor, acest nou senzor bazat pe COF permite detectarea timpurie a stresului cauzat de secetă la plante prin măsurarea în timp real a pH-ului nivelurile din țesuturile xilemului vegetal. Această metodă ar putea ajuta fermierii să optimizeze producția și randamentul culturilor pe fondul evoluției modelelor climatice și a condițiilor de mediu.

„Senzorii de mătase COF oferă un exemplu de instrumente noi care sunt necesare pentru a face agricultura mai precisă într-o lume care se străduiește. pentru a crește securitatea alimentară globală în contextul provocărilor impuse de schimbările climatice, resursele limitate și nevoia de a reduce amprenta de carbon”, a declarat profesorul Benedetto Marelli, autor corespondent, cercetător principal la DiSTAP și profesor asociat de inginerie civilă și de mediu la MIT.

„Integrarea perfectă între nanosenzori și biomateriale permite măsurarea fără efort a parametrilor cheie ai fluidelor vegetale, cum ar fi pH-ul, care, la rândul lor, ne permit să monitorizăm sănătatea plantelor.”

Într-un lucrare intitulată „Chromatic Covalent Organic Frameworks Enabling In-Vivo Chemical Tomography” publicată în Nature Communications, cercetătorii DiSTAP își documentează munca, care demonstrează detectarea în timp real a pH-ului modificări în țesuturile plantelor.

În mod semnificativ, această metodă permite cartografierea in vivo 3D a nivelurilor de pH din țesuturile plantelor folosind doar o cameră pentru smartphone, oferind o abordare minim invazivă pentru explorarea unor medii inaccesibile anterior, în comparație cu mediile mai lente și mai distructive. metode optice tradiționale.

Cercetătorii DiSTAP au proiectat și sintetizat patru compuși COF care prezintă cromismul acid reglabil - modificări de culoare asociate cu schimbarea Niveluri de pH - cu microace SF acoperite cu un strat de film COF format din acești compuși. La rândul său, transparența microacelor SF și a filmului COF permite observarea și vizualizarea in vivo a distribuțiilor spațiale ale pH-ului prin modificări ale culorilor sensibile la pH.

„Construind pe munca noastră anterioară cu filme biodegradabile COF-SF. capabil să detecteze deteriorarea alimentelor, am dezvoltat o metodă pentru a detecta modificările pH-ului în țesuturile plantelor, când sunt utilizați în plante, compușii COF vor trece de la roșu închis la roșu ca pH creșteri ale țesuturilor xilemului, ceea ce indică faptul că plantele se confruntă cu stres cauzat de secetă și necesită intervenție timpurie pentru a preveni pierderea randamentului”, a spus dr. Song Wang, cercetător la SMART DiSTAP și co-primul autor.

„SF”. microacele sunt robuste și pot fi proiectate să rămână stabile chiar și atunci când interacționează cu țesuturile biologice. De asemenea, sunt transparente, ceea ce permite cartografierea multidimensională într-o manieră minim invazivă. Împreună cu filmele COF, fermierii au acum un instrument de precizie pentru a monitoriza sănătatea plantelor în timp real și pentru a aborda mai bine provocările precum seceta și pentru a îmbunătăți rezistența culturilor”, a declarat Dr. Yangyang Han, Senior Postdoctoral Associate la SMART DiSTAP și co-primul autor.

Acest studiu stabilește bazele pentru proiectarea și dezvoltarea viitoare pentru imagistica chimică tomografică pe bază de microac COF-SF a plantelor cu COF senzori.

Pe baza acestei cercetări, cercetătorii DiSTAP vor lucra pentru a avansa această tehnologie inovatoare dincolo de detectarea pH-ului, cu accent pe detectarea unui spectru larg de analiți relevanți din punct de vedere biologic, cum ar fi hormonii vegetali și metaboliții.

(Fluierul)