Nová metoda detekce dehydratace rostlin

Zajímá vás, zda jsou vaše rostliny suché a dehydrované, nebo zda je nezaléváte dostatečně? Zemědělci i nadšenci do pěstování rostlin brzy budou mít možnost to zjistit v reálném čase.

V posledním desetiletí vědci pracují na senzorech pro detekci širokého spektra chemických sloučenin a kritickým problémem byl vývoj senzorů, které lze použít v živých biologických systémech. To se chystá změnit s novými senzory od Singapurské aliance pro výzkum a technologie MIT (SMART), které dokáží detekovat změny pH v živých rostlinách – ukazatel stresu z nedostatku vody – a umožňují včasnou detekci a řízení stresu z nedostatku vody dříve, než povede k nenapravitelné ztrátě výnosu.

Výzkumníci z interdisciplinární výzkumné skupiny Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) SMART, výzkumného podniku MIT v Singapuru, ve spolupráci s Temasek Life Sciences Laboratory a MIT, vyvinuli první na světě senzory z kovalentních organických rámců (COF) integrované do mikronehů z hedvábného fibroinu (SF) pro in-planta detekci fyziologických změn pH. Tato pokročilá technologie dokáže detekovat snížení kyselosti v pletivech lýka rostlin a poskytuje včasné varování před stresem z nedostatku vody až 48 hodin před tradičními metodami.

Sucho – nebo nedostatek vody – je významným stresorem, který snižuje výnos tím, že ovlivňuje klíčové metabolické dráhy rostlin, snižuje velikost listů, prodlužování stonků a šíření kořenů. Pokud je dlouhodobé, může nakonec způsobit, že rostliny zežloutnou, zvadnou a zemřou. Vzhledem k tomu, že se zemědělské problémy – včetně těch, které způsobují klimatické změny, rostoucí náklady a nedostatek zemědělské půdy – dále stupňují a nepříznivě ovlivňují produkci a výnos plodin, zemědělci často nemohou zavádět proaktivní opatření ani pre-symptomatickou diagnostiku pro včasné a náležité zásahy. To zdůrazňuje potřebu lepší integrace senzorů, která může usnadnit in-vivo hodnocení a včasné zásahy v zemědělských postupech.

„Tento typ senzoru lze snadno připevnit k rostlině a dotazovat se na něj pomocí jednoduchých přístrojů. Může tak vnést silné analýzy, jako jsou nástroje, které vyvíjíme v rámci DiSTAP, do rukou zemědělců i vědců,“ říká profesor Michael Strano, spoluautor korespondence, vedoucí hlavní výzkumník DiSTAP a profesor chemického inženýrství Carbon P. Dubbs na MIT.

Průlom SMART řeší dlouholetý problém senzorů na bázi COF, které – až dosud – nedokázaly interagovat s biologickými tkáněmi. COF jsou sítě organických molekul nebo polymerů – které obsahují atomy uhlíku vázané na prvky jako vodík, kyslík nebo dusík – uspořádané do konzistentních, krystalických struktur, které mění barvu v závislosti na různých úrovních pH. Vzhledem k tomu, že stres z nedostatku vody lze detekovat pomocí změn hladiny pH v rostlinných tkáních, tento nový senzor na bázi COF umožňuje včasnou detekci stresu z nedostatku vody v rostlinách pomocí měření hladin pH v pletivech lýka rostlin v reálném čase. Tato metoda by mohla zemědělcům pomoci optimalizovat produkci a výnos plodin v souvislosti s měnícími se klimatickými vzorci a environmentálními podmínkami.

„Senzory COF-silk představují příklad nových nástrojů, které jsou nutné k tomu, aby se zemědělství stalo přesnějším ve světě, který se snaží zvýšit globální potravinovou bezpečnost tváří v tvář výzvám, které představují klimatické změny, omezené zdroje a nutnost snížení uhlíkové stopy. Bezproblémová integrace nanosenzorů a biomateriálů umožňuje snadné měření klíčových parametrů rostlinných tekutin, jako je pH, což nám zase umožňuje sledovat zdraví rostlin,“ říká profesor Benedetto Marelli, spoluautor korespondence, hlavní výzkumník v DiSTAP a docent stavebního a environmentálního inženýrství na MIT.

Ve vědecké práci s otevřeným přístupem s názvem „Chromatic Covalent Organic Frameworks Enabling In-Vivo Chemical Tomography“, která byla nedávno zveřejněna v Nature Communications, výzkumníci DiSTAP zdokumentovali svou průlomovou práci, která prokázala detekci změn pH v rostlinných tkáních v reálném čase. Významně je, že tato metoda umožňuje in-vivo 3D mapování hladin pH v rostlinných tkáních pomocí pouhého fotoaparátu smartphonu, což nabízí minimálně invazivní přístup k průzkumu dříve nepřístupných prostředí ve srovnání s pomalejšími a destruktivnějšími tradičními optickými metodami.

Výzkumníci DiSTAP navrhli a syntetizovali čtyři sloučeniny COF, které vykazují nastavitelný kyselý chromismus – změny barvy spojené se změnami hladiny pH – s mikronehly SF potaženými vrstvou filmu COF vyrobeného z těchto sloučenin. Průhlednost mikronehel SF a filmu COF zase umožňuje in-vivo pozorování a vizualizaci prostorového rozložení pH prostřednictvím změn pH-senzitivních barev.

„Na základě naší předchozí práce s biologicky rozložitelnými filmy COF-SF schopnými detekovat zkažení potravin jsme vyvinuli metodu pro detekci změn pH v rostlinných tkáních. Při použití v rostlinách se sloučeniny COF změní z tmavě červené na červenou, jak se pH zvyšuje v lýku, což naznačuje, že rostliny zažívají stres z nedostatku vody a vyžadují včasný zásah, aby se zabránilo ztrátě výnosu,“ říká Song Wang, vědecký pracovník SMART DiSTAP a spoluautor.

„Mikronehly SF jsou robustní a lze je navrhnout tak, aby zůstaly stabilní i při interakci s biologickými tkáněmi. Jsou také průhledné, což umožňuje vícerozměrné mapování minimálně invazivním způsobem. V kombinaci s filmy COF mají zemědělci nyní přesný nástroj pro sledování zdraví rostlin v reálném čase a pro lepší řešení problémů, jako je sucho, a zlepšení odolnosti plodin,“ říká Yangyang Han, seniorní postdoktorand SMART DiSTAP a spoluautor.

Tato studie vytváří základ pro budoucí návrh a vývoj tomografického chemického zobrazování rostlin s mikrojehlicí COF-SF se senzory na bázi COF. Na základě tohoto výzkumu budou výzkumníci DiSTAP pracovat na zdokonalení této inovativní technologie nad rámec detekce pH se zaměřením na detekci širokého spektra biologicky relevantních analytů, jako jsou rostlinné hormony a metabolity.

Výzkum provádí SMART a podporuje jej Národní výzkumná nadace Singapuru v rámci programu Campus for Research Excellence And Technological Enterprise.