4月16日消息，據(jù)外媒報(bào)道，麻省理工學(xué)院（MIT）的工程師們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種方法，可以使用碳納米管制成的傳感器緊密跟蹤植物如何應(yīng)對(duì)諸如傷害、感染和光害等壓力。這些傳感器可以嵌入植物的葉子中，并在其中報(bào)告過(guò)氧化氫信號(hào)波。

　　麻省理工學(xué)院的化學(xué)工程師設(shè)計(jì)了一種傳感器，該傳感器可以嵌入植物的葉子中并測(cè)量過(guò)氧化氫的水平，表明已經(jīng)發(fā)生了破壞。信號(hào)可以發(fā)送到附近的智能手機(jī)。圖片：Felice Frankel）

　　植物利用過(guò)氧化氫在其葉片內(nèi)部進(jìn)行通訊，發(fā)出求救信號(hào)，刺激葉細(xì)胞產(chǎn)生化合物，從而幫助其修復(fù)損害或抵御諸如昆蟲(chóng)的食肉動(dòng)物，新的傳感器可以使用這些過(guò)氧化氫信號(hào)來(lái)區(qū)分不同類型的壓力以及不同種類的植物。

　　麻省理工學(xué)院碳P.杜布斯化學(xué)工程教授邁克爾·斯特拉諾（Michael Strano）說(shuō)：“植物具有非常復(fù)雜的內(nèi)部溝通形式，我們現(xiàn)在可以首次觀察到這種溝通形式。這意味著我們可以實(shí)時(shí)看到活體植物的反應(yīng)，傳達(dá)其所承受的特定壓力類型?！?/p>

　　這種傳感器可用于研究植物如何應(yīng)對(duì)不同類型的脅迫，從而有可能幫助農(nóng)業(yè)科學(xué)家制定提高作物產(chǎn)量的新策略。研究人員在菠菜、草莓植物和芝麻菜等八種不同的植物物種中證明了他們的方法，他們相信這種方法可以在更多的植物中起作用。

　　嵌入式傳感器可跟蹤植物健康狀況

　　在過(guò)去的幾年里，斯特拉諾的實(shí)驗(yàn)室一直在探索“納米仿生植物”的工程潛力——這種植物含有納米材料，可以賦予植物新的功能，例如發(fā)光或檢測(cè)缺水。在這項(xiàng)新研究中，他著手采用可以報(bào)告植物健康狀況的傳感器。

　　斯特拉諾實(shí)驗(yàn)室之前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了碳納米管傳感器，可以檢測(cè)包括過(guò)氧化氫在內(nèi)的各種分子，大約三年前，斯特拉諾開(kāi)始嘗試將這些傳感器整合到植物葉片中。通常在植物分子研究中使用的擬南芥研究表明，植物可能使用過(guò)氧化氫作為信號(hào)分子，但其確切作用尚不清楚。

　　斯特拉諾使用一種稱為脂質(zhì)交換包膜穿透（LEEP）的方法將傳感器整合到植物葉片中，幾年前開(kāi)發(fā)的LEEP允許設(shè)計(jì)可穿透植物細(xì)胞膜的納米顆粒，當(dāng)斯特拉諾致力于嵌入碳納米管傳感器時(shí)，他偶然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)狀。

　　他說(shuō)：“我正在訓(xùn)練自己以熟悉該技術(shù)，在訓(xùn)練過(guò)程中，我不小心在植物上造成了傷口，然后，我看到了這種過(guò)氧化氫信號(hào)的演變?！?/p>

　　他看到葉子受傷后，過(guò)氧化氫從傷口處釋放出來(lái)，并產(chǎn)生了一條沿葉子擴(kuò)散的波，類似于神經(jīng)元在我們的大腦中傳遞電脈沖的方式。當(dāng)植物細(xì)胞釋放過(guò)氧化氫時(shí)，它會(huì)觸發(fā)相鄰細(xì)胞內(nèi)的鈣釋放，從而刺激這些細(xì)胞釋放更多的過(guò)氧化氫。

　　斯特拉諾說(shuō)：“就像多米諾骨牌不斷下降一樣，它形成的波傳播比單獨(dú)的過(guò)氧化氫泡芙傳播得多，波本身由接收和傳播它的細(xì)胞提供動(dòng)力?！?/p>

　　大量的過(guò)氧化氫刺激植物細(xì)胞產(chǎn)生稱為次生代謝產(chǎn)物的分子，例如類黃酮或類胡蘿卜素，可幫助它們修復(fù)損害。一些植物還產(chǎn)生其他次生代謝產(chǎn)物，可以分泌這些代謝產(chǎn)物以抵御捕食者，這些代謝產(chǎn)物通常是我們?cè)谑秤弥参镏兴枰氖澄镲L(fēng)味的來(lái)源，并且它們僅在脅迫下產(chǎn)生。

        新的傳感技術(shù)可快速跟蹤八種植物的波形并發(fā)出警報(bào)

　　新的傳感技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于它可以用于許多不同的植物物種。傳統(tǒng)上，植物生物學(xué)家在某些適合遺傳操作的植物中進(jìn)行了許多分子生物學(xué)研究，包括擬南芥和煙草植物，但是，新的MIT方法可適用于任何工廠。

　　斯特拉諾說(shuō)：“在這項(xiàng)研究中，我們能夠快速比較八種植物，而舊工具無(wú)法做到這一點(diǎn)?！?/p>

　　研究人員測(cè)試了草莓植物、菠菜、芝麻菜、生菜、豆瓣菜和漿草，發(fā)現(xiàn)不同的物種似乎產(chǎn)生不同的波形-通過(guò)繪制隨時(shí)間變化的過(guò)氧化氫濃度而產(chǎn)生的獨(dú)特形狀。他們假設(shè)每種植物的反應(yīng)都與其抵抗損害的能力有關(guān)，每個(gè)物種對(duì)不同類型的壓力（包括機(jī)械傷害、感染以及熱或光損傷）的反應(yīng)也不同。

　　斯特拉諾說(shuō)：“該波形為每個(gè)物種保存了大量信息，更令人興奮的是，給定植物的脅迫類型已編碼在該波形中，可以查看工廠在幾乎任何新環(huán)境中所經(jīng)歷的實(shí)時(shí)響應(yīng)?！?/p>

　　該傳感器產(chǎn)生的近紅外熒光可以用連接到Raspberry Pi的小型紅外相機(jī)成像，Raspberry Pi是一臺(tái)信用卡大小的計(jì)算機(jī)，售價(jià)35美元，類似于智能手機(jī)內(nèi)部的計(jì)算機(jī)。

　　斯特拉諾說(shuō)：“非常便宜的儀器可以用來(lái)捕獲信號(hào)，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用包括篩選不同種類的植物以抵抗機(jī)械損傷、光、熱和其他形式的脅迫，它也可以用來(lái)研究不同物種對(duì)病原體的反應(yīng)，例如引起柑橘變綠的細(xì)菌和引起咖啡銹的真菌。我感興趣的事情之一就是了解為什么某些類型的植物對(duì)這些病原體表現(xiàn)出一定的免疫力，而另一些則無(wú)法免疫。我們的傳感器使我們能夠截獲該應(yīng)力信號(hào)，并準(zhǔn)確了解工廠上游和下游發(fā)生的條件和機(jī)制，從而避免產(chǎn)生陰影。”