Роль ауксинів у рослинах
Нано-сенсори, ауксини, зокрема IAA, відіграють центральну роль у регулюванні ключових процесів рослин, таких як поділ клітин, подовження, розвиток коренів і пагонів, а також реакція на екологічні сигнали, такі як світло, тепло та посуха. Зовнішні фактори, такі як світло, впливають на те, як ауксин переміщається в рослині, температура впливає на те, скільки його виробляється, а нестача води може порушити баланс гормонів. Коли рослини не можуть ефективно регулювати ауксини, вони можуть погано рости, не адаптуватися до змінюваних умов або не виробляти достатню кількість їжі.
Існуючі методи виявлення IAA, такі як рідинна хроматографія, вимагають взяття зразків рослин, що шкодить або видаляє частину рослини. Конвенційні методи також вимірюють ефекти IAA, а не виявляють його безпосередньо і не можуть бути використані універсально для різних типів рослин. Крім того, оскільки IAA є малими молекулами, які не можуть бути легко відстежені в реальному часі, біосенсори, що містять флуоресцентні білки, потрібно вставляти в геном рослини для вимірювання ауксину, що змушує його випромінювати флуоресцентний сигнал для живої візуалізації.
Новий нано-сенсор
Новий нано-сенсор SMART дозволяє безпосереднє, реальне відстеження рівнів ауксину в живих рослинах з високою точністю. Сенсор використовує NIR-іміджинг для моніторингу коливань IAA неінвазивно через тканини, такі як листя, корені та сім’ядолі, і здатний обходити хлорофілове втручання, щоб забезпечити високу надійність показань навіть у щільно пігментованих тканинах. Технологія не вимагає генетичної модифікації та може бути інтегрована з існуючими сільськогосподарськими системами — пропонуючи масштабований інструмент точності для покращення як оптимізації культур, так і фундаментальних досліджень фізіології рослин.
Надаючи реальні, точні вимірювання ауксину — гормону, що є центральним для росту рослин та реакції на стрес — сенсор надає фермерам раніше та точніше інформацію про здоров’я рослин. З цими даними та всебічною інформацією фермери можуть приймати більш розумні, засновані на даних рішення щодо зрошення, доставки поживних речовин та обрізки, адаптуючи їх до фактичних потреб рослини — врешті-решт покращуючи ріст культур, підвищуючи стійкість до стресу та збільшуючи врожаї.
“Нам потрібні нові технології для вирішення проблем продовольчої безпеки та зміни клімату у всьому світі. Ауксин є центральним сигналом росту в живих рослинах, і ця робота дає нам можливість використовувати його для надання нової інформації фермерам та дослідникам. Застосування численні, включаючи раннє виявлення стресу рослин, що дозволяє своєчасно втручатися для захисту культур. Для міських та внутрішніх ферм, де світло, вода та поживні речовини вже жорстко контролюються, цей сенсор може бути цінним інструментом для точного налаштування умов росту з ще більшою точністю для оптимізації врожаю та сталості,” — сказав професор Майкл Страно, співкерівник головний дослідник DiSTAP та професор хімічної інженерії в MIT, а також співавтор статті.
Нано-сенсори: Дослідження та публікації
Дослідницька команда задокументувала розробку нано-сенсора в статті під назвою “Нано-сенсор з флуоресценцією в ближньому інфрачервоному діапазоні для безпосереднього та реального вимірювання індол-3-оцетної кислоти в рослинах”, опублікованій у журналі ACS Nano. Сенсор складається з одношарових вуглецевих нанотрубок (SWNT), обгорнених у спеціально розроблений полімер, що дозволяє йому виявляти IAA через зміни інтенсивності NIR-флуоресценції. Успішно протестований на кількох видах, включаючи Arabidopsis, Nicotiana benthamiana, choy sum та шпинат, нано-сенсор може картографувати реакції IAA за різних екологічних умов, таких як тінь, низьке світло та тепловий стрес.
“Цей сенсор базується на постійній роботі DiSTAP у галузі нанотехнологій та техніці CoPhMoRe, яка вже використовувалася для розробки інших сенсорів, здатних виявляти важливі рослинні сполуки, такі як гібереліни та водень пероксид. Адаптуючи цей підхід для IAA, ми додаємо до нашого арсеналу нових, точних та не руйнівних інструментів для моніторингу здоров’я рослин. Врешті-решт, ці сенсори можуть бути мультиплексовані або об’єднані для моніторингу спектру маркерів росту рослин для більш повного розуміння фізіології рослин,” — сказав доктор Дук Тінь Хонг, головний науковий співробітник DiSTAP та співавтор статті.
“Цей маленький, але потужний нано-сенсор вирішує давню проблему в сільському господарстві: необхідність універсального, реального та неінвазивного інструменту для моніторингу здоров’я рослин у різних видах. Наше спільне досягнення не лише надає можливості дослідникам та фермерам оптимізувати умови росту та покращувати врожайність і стійкість культур, але також сприяє нашому науковому розумінню гормональних шляхів та взаємодій рослин з навколишнім середовищем,” — сказав доктор Ін-Чеол Чанг, старший головний дослідник TLL та головний дослідник DiSTAP, а також співавтор статті.
Перспективи майбутніх досліджень Нано-сенсорів
Дивлячись у майбутнє, дослідницька команда планує об’єднати кілька платформ сенсорів для одночасного виявлення IAA та його супутніх метаболітів, щоб створити комплексний профіль гормонального сигналізування, пропонуючи глибші уявлення про реакції рослин на стрес та підвищуючи точність сільського господарства. Вони також працюють над використанням мікроголок для високоточних, тканинно-специфічних сенсорів та співпрацюють з промисловими партнерами з міського сільського господарства, щоб перевести технологію в практичні, готові до поля рішення.
Дослідження проводиться SMART і підтримується Національним дослідницьким фондом у рамках програми Campus for Research Excellence And Technological Enterprise (CREATE).
Про Сінгапурсько-MIT Альянс для досліджень і технологій (SMART)
Сінгапурсько-MIT Альянс для досліджень і технологій (SMART) є дослідницьким підприємством MIT у Сінгапурі, заснованим Массачусетським технологічним інститутом (MIT) у партнерстві з Національним дослідницьким фондом Сінгапуру (NRF) з 2007 року. SMART є першою організацією в Campus for Research Excellence and Technological Enterprise (CREATE), розробленому NRF. SMART служить інтелектуальним та інноваційним центром для дослідницьких взаємодій між MIT та Сінгапуром. У SMART проводяться передові дослідницькі проекти в сферах, які цікавлять як Сінгапур, так і MIT. SMART наразі складається з Інноваційного центру та п’яти міждисциплінарних дослідницьких груп (IRG):
- Антимікробна стійкість (AMR)
- Критична аналітика для виробництва персоналізованої медицини (CAMP)
- Руйнівні та сталий технології для сільськогосподарської точності (DiSTAP)
- Mens, Manus and Machina (M3S)
- Пристрої для сенсування на основі оптоелектронних метасурфейсів (WISDOM)
Дослідження SMART фінансується Національним дослідницьким фондом Сінгапуру в рамках програми CREATE.
Про SMART Disruptive & Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP)
DiSTAP є однією з п’яти міждисциплінарних дослідницьких груп (IRG) Сінгапурсько-MIT Альянсу для досліджень і технологій (SMART). Програма DiSTAP вирішує глибокі проблеми у виробництві їжі в Сінгапурі та світі, розробляючи набір впливових та нових аналітичних, генетичних та біоматеріальних технологій. Мета полягає в тому, щоб кардинально змінити спосіб відкриття, моніторингу, інженерії та в кінцевому підсумку переведення рослинних біосинтетичних шляхів для задоволення глобального попиту на їжу та поживні речовини. Вчені з Массачусетського технологічного інституту (MIT), Temasek Life Sciences Laboratory (TLL), Наньянського технологічного університету (NTU) та Національного університету Сінгапуру (NUS) спільно:
- Розробляють нові інструменти для безперервного вимірювання важливих рослинних метаболітів та гормонів для нових відкриттів, глибшого розуміння та контролю рослинних біосинтетичних шляхів у способах, які ще не можливі, особливо в контексті зелених листових овочів.
- Використовують ці нові техніки для інженерії рослин з високими бажаними властивостями для глобальної продовольчої безпеки, включаючи високу щільність виробництва, а також стійкість до посухи та патогенів.
- Застосовують ці технології для покращення міського сільського господарства.
IRG DiSTAP в SMART очолює спільний головний дослідник MIT професор Майкл Страно та спільний головний дослідник Сінгапуру професор Чуа Нам Хай.
Дослідження проводиться SMART і підтримується Національним дослідницьким фондом у рамках програми Campus for Research Excellence And Technological Enterprise (CREATE).
Можливість стежити за новинами у більш стислому форматі в телеграм каналі головна сторінка сайту