Univerzální nanosenzor odhaluje tajemství růstu rostlin

Výzkumníci z mezidisciplinární výzkumné skupiny Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) v rámci Singapore-MIT Alliance for Research and Technology vyvinuli první near-infračervený fluorescenční nanosenzor na světě, který umožňuje detekci kyseliny indol-3-octové (IAA) – primárního bioaktivního auxinového hormonu regulujícího vývoj, růst a reakce rostlin na stres – v reálném čase, nedestruktivně a bez ohledu na druh rostliny.

Auxiny, zejména IAA, hrají klíčovou roli v regulaci klíčových procesů v rostlinách, jako je dělení buněk, prodlužování, vývoj kořenů a výhonků a reakce na vnější podněty, jako je světlo, teplo a sucho. Vnější faktory, jako je světlo, ovlivňují pohyb auxinu v rostlině, teplota ovlivňuje jeho produkci a nedostatek vody může narušit hormonální rovnováhu. Pokud rostliny nemohou efektivně regulovat auxiny, nemusí dobře růst, přizpůsobovat se měnícím se podmínkám ani produkovat dostatek potravin.

Existující metody detekce IAA, jako je kapalinová chromatografie, vyžadují odběr vzorků z rostliny, což ji poškozuje nebo část rostliny odstraní. Konvenční metody také měří účinky IAA, nikoliv přímo IAA samotnou, a nelze je univerzálně použít na různé typy rostlin. Navíc, jelikož IAA jsou malé molekuly, které nelze snadno sledovat v reálném čase, je nutné do genomu rostliny vkládat biosenzory obsahující fluorescenční proteiny, aby se IAA dala měřit a emitovala fluorescenční signál pro živé zobrazování.

Nový nanosenzor vyvinutý SMART umožňuje přímé sledování hladin auxinu v živých rostlinách s vysokou přesností v reálném čase. Senzor využívá near-infračervené zobrazování k neinvazivnímu monitorování fluktuací IAA v tkáních, jako jsou listy, kořeny a děložní lístky, a je schopen obejít interferenci chlorofylu, čímž zajišťuje vysoce spolehlivá měření i v hustě pigmentovaných tkáních. Technologie nevyžaduje genetické modifikace a lze ji integrovat do stávajících zemědělských systémů – nabízí škálovatelný přesný nástroj pro rozvoj optimalizace plodin a základního výzkumu fyziologie rostlin.

Poskytováním přesných měření auxinu v reálném čase umožňuje senzor zemědělcům získat dříve a přesnější informace o zdraví rostlin. Díky těmto poznatkům a komplexním datům mohou zemědělci činit chytřejší, daty řízená rozhodnutí o zavlažování, dodávání živin a prořezávání, přizpůsobená skutečným potřebám rostlin – čímž se nakonec zlepší růst plodin, zvýší se odolnost vůči stresu a zvýší se výnosy.

„Potřebujeme nové technologie k řešení problémů s potravinovou bezpečností a klimatickými změnami po celém světě. Auxin je centrálním růstovým signálem v živých rostlinách a tato práce nám dává způsob, jak ho využít k poskytnutí nových informací zemědělcům a výzkumníkům,“ říká Michael Strano, vedoucí výzkumný pracovník DiSTAP, profesor chemického inženýrství na MIT a spoluautor článku. „Aplikace jsou mnohé, včetně včasné detekce stresu rostlin, což umožňuje včasné zásahy k ochraně plodin. Pro městské a vnitřní farmy, kde je světlo, voda a živiny již přísně kontrolovány, může být tento senzor cenným nástrojem pro jemné dolaďování růstových podmínek s ještě větší přesností, aby se optimalizovala výtěžnost a udržitelnost.“

Výzkumný tým zdokumentoval vývoj nanosenzoru v článku s názvem „A Near-Infrared Fluorescent Nanosensor for Direct and Real-Time Measurement of Indole-3-Acetic Acid in Plants“, publikovaném v časopise ACS Nano. Senzor se skládá z jednovrstvých uhlíkových nanotrubic obalených speciálně navrženým polymerem, který mu umožňuje detekovat IAA pomocí změn v intenzitě near-infračervené fluorescence. Nanosenzor byl úspěšně testován na několika druzích, včetně Arabidopsis, Nicotiana benthamiana, čínského špenátu a špenátu, a dokáže mapovat reakce IAA za různých environmentálních podmínek, jako je stín, nízké osvětlení a teplotní stres.

„Tento senzor navazuje na probíhající práci DiSTAP v nanotechnologiích a techniku CoPhMoRe, která byla již použita k vývoji dalších senzorů, které dokáží detekovat důležité sloučeniny rostlin, jako jsou gibereliny a peroxid vodíku. Přizpůsobením tohoto přístupu pro IAA rozšiřujeme náš inventář nových, přesných a nedestruktivních nástrojů pro monitorování zdraví rostlin. Tyto senzory lze nakonec multiplexované nebo kombinované pro monitorování spektra markerů růstu rostlin, aby se získaly úplnější poznatky o fyziologii rostlin,“ říká Duc Thinh Khong, vědecký pracovník DiSTAP a spoluautor článku.

„Tento malý, ale výkonný nanosenzor řeší dlouhodobý problém v zemědělství: potřebu univerzálního, real-time a neinvazivního nástroje pro monitorování zdraví rostlin napříč různými druhy. Náš společný úspěch nejen umožňuje výzkumníkům a zemědělcům optimalizovat růstové podmínky a zlepšit výnosy a odolnost plodin, ale také rozšiřuje naše vědecké chápání hormonálních drah a interakcí rostlin a prostředí,“ říká In-Cheol Jang, vedoucí výzkumný pracovník TLL, vedoucí výzkumný pracovník DiSTAP a spoluautor článku.

V budoucnu se výzkumný tým zaměřuje na kombinaci více senzorových platforem pro současnou detekci IAA a jejích souvisejících metabolitů za účelem vytvoření komplexního profilu hormonální signalizace, což nabídne hlubší poznatky o reakcích rostlin na stres a zlepší přesné zemědělství. Pracují také na využití mikronehů pro vysoce lokalizované, tkáňově specifické snímání a spolupracují s průmyslovými partnery v oblasti městského zemědělství na přenosu technologie do praktických, terénně připravených řešení.

Výzkum byl proveden SMART a podporován Národní výzkumnou nadací Singapuru v rámci programu Campus for Research Excellence And Technological Enterprise.