Исследователи Массачусетского технологического института представили наносенсор для мониторинга железа в растениях в реальном времени

Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс

Исследователи DiSTAP разработали датчики для быстрого обнаружения и мониторинга железа в растениях, что обеспечивает точное земледелие и устойчивое управление сельскохозяйственными культурами. (Изображение:любезно предоставлено SMART DiSTAP)

Исследователи из междисциплинарной исследовательской группы «Прорывные и устойчивые технологии для сельскохозяйственной точности» (DiSTAP) Альянса Сингапура и MIT по исследованиям и технологиям (SMART), исследовательского предприятия MIT в Сингапуре, в сотрудничестве с Лабораторией естественных наук Темасек (TLL) и MIT, разработали новаторский флуоресцентный наносенсор ближнего инфракрасного диапазона (NIR), способный одновременно обнаруживать и дифференцировать формы железа — Fe(II) и Fe(III) — в живых организмах. растения.

Железо имеет решающее значение для здоровья растений, поддерживая фотосинтез, дыхание и функцию ферментов. В основном он существует в двух формах:Fe(II), который легко доступен для поглощения и использования растениями, и Fe(III), который сначала должен быть преобразован в Fe(II), прежде чем растения смогут его эффективно использовать. Традиционные методы измеряют только общее количество железа, упуская из виду различие между этими формами — ключевым фактором питания растений. Различие между Fe(II) и Fe(III) дает представление об эффективности поглощения железа, помогает диагностировать его дефицит или токсичность, а также обеспечивает точную стратегию внесения удобрений в сельском хозяйстве, сокращая отходы и воздействие на окружающую среду, одновременно повышая урожайность сельскохозяйственных культур.

Первый в своем роде наносенсор, разработанный исследователями SMART, позволяет в режиме реального времени неразрушающим образом контролировать поглощение, транспортировку железа и изменения между его различными формами, обеспечивая точные и подробные наблюдения за динамикой железа. Его высокое пространственное разрешение позволяет точно локализовать железо в растительных тканях или субклеточных компартментах, позволяя измерять даже мельчайшие изменения уровня железа в растениях — изменения, которые могут дать информацию о том, как растение справляется со стрессом и использует питательные вещества.

Традиционные методы обнаружения либо разрушительны, либо ограничиваются одной формой железа. Эта новая технология позволяет диагностировать недостатки и оптимизировать стратегии внесения удобрений. Выявив недостаточное или чрезмерное потребление железа, можно внести коррективы для улучшения здоровья растений, сокращения отходов и поддержки более устойчивого сельского хозяйства. Хотя наносенсор был протестирован на шпинате и бок-чой, он не зависит от вида, что позволяет применять его к широкому спектру видов растений без генетической модификации. Эта возможность расширяет наше понимание динамики железа в различных экологических условиях, предоставляя комплексное представление о здоровье растений и управлении питательными веществами. В результате он служит ценным инструментом как для фундаментальных исследований растений, так и для сельскохозяйственных применений, обеспечивая точное управление питательными веществами, сокращение отходов удобрений и улучшение здоровья сельскохозяйственных культур.

"Железо необходимо для роста и развития растений, но контролировать его уровень в растениях было непросто. Этот революционный датчик является первым в своем роде датчиком, который обнаруживает как Fe(II), так и Fe(III) в живых растениях с помощью изображений с высоким разрешением в режиме реального времени. С помощью этой технологии мы можем гарантировать, что растения получают необходимое количество железа, улучшая здоровье сельскохозяйственных культур и устойчивость сельского хозяйства", - сказал Дык Тхинь Кхонг, научный сотрудник DiSTAP и соавтор статьи.

"Этот датчик, обеспечивающий неразрушающее отслеживание видов железа в растениях в режиме реального времени, открывает новые возможности для понимания метаболизма железа в растениях и последствий различных вариаций железа для растений. Такие знания помогут разработать индивидуальные подходы к управлению для повышения урожайности и более экономически эффективных стратегий удобрения почвы", - сказала Грейс Тан, научный сотрудник TLL и один из ведущих авторов статьи.

Исследование, недавно опубликованное в журнале Nano Letters и озаглавленное «Наносенсор для Fe(II) и Fe(III), обеспечивающий пространственно-временное зондирование в растениях», основано на обширном опыте SMART DiSTAP в области нанобионики растений, используя платформу молекулярного распознавания коронной фазы (CoPhMoRe), впервые разработанную лабораторией Strano в SMART DiSTAP и Массачусетском технологическом институте. Новый наносенсор представляет собой одностенные углеродные нанотрубки (ОСНТ), обернутые отрицательно заряженным флуоресцентным полимером, образующим спиральную фазовую структуру короны, которая по-разному взаимодействует с Fe(II) и Fe(III). При попадании в ткани растения и взаимодействии с железом датчик излучает отчетливые сигналы флуоресценции ближнего ИК-диапазона в зависимости от типа железа, что позволяет отслеживать движение железа и химические изменения в реальном времени.

Метод CoPhMoRe использовался для разработки высокоселективных флуоресцентных ответов, позволяющих точно определять степени окисления железа. БИК-флуоресценция SWNT обеспечивает превосходную чувствительность, селективность и прозрачность тканей при минимизации помех, что делает ее более эффективной, чем обычные флуоресцентные датчики. Эта возможность позволяет исследователям отслеживать движение железа и химические изменения в режиме реального времени с помощью NIR-изображений.

"Этот датчик представляет собой мощный инструмент для изучения метаболизма растений, транспорта питательных веществ и реакции на стресс. Он поддерживает оптимизированное использование удобрений, снижает затраты и воздействие на окружающую среду, а также способствует получению более питательных культур, повышению продовольственной безопасности и устойчивым методам ведения сельского хозяйства", - сказал профессор Дайсуке Урано, старший главный исследователь TLL, главный исследователь DiSTAP, доцент Национального университета Сингапура и соавтор статьи.

"Этот набор датчиков дает нам доступ к важному типу передачи сигналов в растениях и к важнейшему питательному веществу, необходимому растениям для выработки хлорофилла. Этот новый инструмент не только поможет фермерам обнаружить дефицит питательных веществ, но и предоставит доступ к определенным сообщениям внутри растения. Он расширяет наши возможности понять реакцию растений на среду их роста", - сказал профессор Майкл Страно, один из ведущих исследователей DiSTAP, профессор химической инженерии Карбона П. Даббса в Массачусетском технологическом институте и соавтор статьи.

Помимо сельского хозяйства, этот наносенсор перспективен для мониторинга окружающей среды, безопасности пищевых продуктов и здравоохранения, особенно в изучении метаболизма железа, дефицита железа и заболеваний, связанных с железом, у людей и животных. Будущие исследования будут сосредоточены на использовании этого наносенсора для продвижения фундаментальных исследований растений по гомеостазу железа, передаче сигналов питательных веществ и окислительно-восстановительной динамике. Также предпринимаются усилия по интеграции наносенсора в автоматизированные системы управления питательными веществами для гидропонного и почвенного земледелия и расширению его функциональности для обнаружения других важных микроэлементов. Эти достижения направлены на повышение устойчивости, точности и эффективности в сельском хозяйстве.

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Клементом Фу по адресу:Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра у вас должен быть включен JavaScript.