Исследователи MIT представят наносенсор для мониторинга железа в растениях в реальном времени

Массачусетский технологический институт, Кембридж, штат Массачусетс

Исследователи DiSTAP разработали сенсоры для быстрого обнаружения и мониторинга железа в растениях, обеспечивающие точное земледелие и устойчивое управление урожаями. (Изображение: SMART DiSTAP)

Прорыв в обнаружении форм железа в живых растениях

Исследователи из междисциплинарной исследовательской группы Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) Сингапурско-MIT Альянса для исследований и технологий (SMART), исследовательского предприятия MIT в Сингапуре, в сотрудничестве с Лабораторией наук о жизни Temasek (TLL) и MIT, разработали передовой ближнеинфракрасный (NIR) флуоресцентный наносенсор, способный одновременно обнаруживать и дифференцировать формы железа — Fe(II) и Fe(III) — в живых растениях.

Роль железа в здоровье растений

Железо критично для здоровья растений, поддерживая фотосинтез, дыхание и ферментативную функцию. Оно преимущественно существует в двух формах: Fe(II), который легко доступен для усвоения растениями, и Fe(III), который сначала должен быть преобразован в Fe(II) перед эффективным использованием растениями. Традиционные методы измеряют только общее железо, упуская различие между этими формами — ключевой фактор в питании растений. Различение между Fe(II) и Fe(III) дает понимание эффективности усвоения железа, помогает диагностировать дефицит или токсичность и позволяет точным стратегиям удобрения в сельском хозяйстве, снижая отходы и воздействие на окружающую среду при повышении производительности урожаев.

Возможности нового наносенсора

Первоклассный наносенсор, разработанный исследователями SMART, обеспечивает мониторинг в реальном времени, неразрушающий, усвоения, транспорта и изменений между различными формами железа — предоставляя точные и детальные наблюдения динамики железа. Его высокое пространственное разрешение позволяет точно локализовать железо в тканях растений или субклеточных компартаментах, позволяя измерять даже минимальные изменения уровней железа в растениях — изменения, которые могут информировать о том, как растение справляется со стрессом и использует питательные вещества.

Традиционные методы обнаружения либо разрушительны, либо ограничены одной формой железа. Новая технология позволяет диагностировать дефицит и оптимизировать стратегии удобрения. Выявляя недостаточное или избыточное потребление железа, можно вносить коррективы для улучшения здоровья растений, снижения отходов и поддержки более устойчивого сельского хозяйства. Хотя наносенсор тестировался на шпинате и бок-чой, он неспецифичен к виду, позволяя применять его к широкому спектру видов растений без генетической модификации. Эта способность улучшает понимание динамики железа в различных экологических условиях, предоставляя исчерпывающие инсайты в здоровье растений и управлении питательными веществами. В результате он служит ценным инструментом как для фундаментальных исследований растений, так и для сельскохозяйственных приложений, поддерживая точное управление питательными веществами, снижая отходы удобрений и улучшая здоровье урожаев.

«Железо необходимо для роста и развития растений, но мониторинг его уровней в растениях был вызовом. Этот прорывной сенсор — первый такого рода, обнаруживающий Fe(II) и Fe(III) в живых растениях с визуализацией в реальном времени и высоким разрешением. С этой технологией мы можем обеспечить, чтобы растения получали правильное количество железа, улучшая здоровье урожаев и сельскохозяйственную устойчивость», — сказал Дук Тинь Хонг, научный сотрудник DiSTAP и соавтор статьи.

«Обеспечивая неразрушающий мониторинг в реальном времени спектации железа в растениях, этот сенсор открывает новые пути для понимания металлического обмена растений и последствий различных вариаций железа для растений. Такие знания помогут направить разработку адаптированных подходов управления для улучшения урожайности и более рентабельных стратегий удобрения почвы», — сказала Грейс Тан, научный сотрудник TLL и соавтор статьи.

Технологическая основа: платформа CoPhMoRe

Исследование, недавно опубликованное в Nano Letters под названием «Наносенсор для Fe(II) и Fe(III), позволяющий пространственно-временное сенсирование в растениях», строится на установленной экспертизе SMART DiSTAP в растениянобиониках, используя платформу Corona Phase Molecular Recognition (CoPhMoRe), разработанную лабораторией Странно в SMART DiSTAP и MIT. Новый наносенсор состоит из однстенных углеродных нанотрубок (SWNT), обернутых в негативно заряженный флуоресцентный полимер, образующий спиралевидную коронарную фазовую структуру, которая по-разному взаимодействует с Fe(II) и Fe(III). При введении в ткани растений и взаимодействии с железом сенсор излучает отличные NIR-флуоресцентные сигналы в зависимости от типа железа, позволяя отслеживать в реальном времени движение и химические изменения железа.

Техника CoPhMoRe использовалась для разработки высокоселективных флуоресцентных ответов, позволяющих точное обнаружение состояний окисления железа. NIR-флуоресценция SWNT обеспечивает превосходную чувствительность, селективность и прозрачность тканей при минимизации интерференций, делая её более эффективной, чем обычные флуоресцентные сенсоры. Эта способность позволяет исследователям отслеживать движение и химические изменения железа в реальном времени с использованием NIR-визуализации.

«Этот сенсор предоставляет мощный инструмент для изучения метаболизма растений, транспорта питательных веществ и стрессовых реакций. Он поддерживает оптимизированное использование удобрений, снижает затраты и воздействие на окружающую среду и способствует более питательным урожаям, лучшей продовольственной безопасности и устойчивым практикам земледелия», — сказал профессор Дайсуке Урано, старший главный исследователь TLL, главный исследователь DiSTAP, адъюнкт-профессор Национального университета Сингапура и соавтор-корреспондент статьи.

«Этот набор сенсоров дает нам доступ к важному типу сигнализации в растениях и критически важному питательному веществу, необходимому для образования хлорофилла. Этот новый инструмент не только поможет фермерам обнаруживать дефицит питательных веществ, но и даст доступ к определенным сообщениям внутри растения. Он расширяет нашу способность понимать реакцию растения на свою среду обитания», — сказал профессор Майкл Странно, со-ведущий главный исследователь DiSTAP, профессор химической инженерии Carbon P. Dubbs в MIT и соавтор-корреспондент статьи.

Перспективы применения за пределами сельского хозяйства

Помимо сельского хозяйства, этот наносенсор обещает применения в экологическом мониторинге, безопасности пищевых продуктов и науках о здоровье, особенно в изучении металлического обмена, дефицита железа и железа-зависимых заболеваний у людей и животных. Будущие исследования будут фокусироваться на использовании этого наносенсора для продвижения фундаментальных исследований растений по гомеостазу железа, сигнализации питательных веществ и редокс-динамике. Также ведутся работы по интеграции наносенсора в автоматизированные системы управления питательными веществами для гидропонного и почвенного земледелия и расширении его функциональности для обнаружения других важных микронутриентов. Эти достижения нацелены на повышение устойчивости, точности и эффективности в сельском хозяйстве.

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Клементом Фу по адресу This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it..