Вы когда-нибудь задумывались, не сухие ли и не обезвоженные ли ваши растения, или вы недостаточно их поливаете? Фермеры и даже домашние цветоводы вскоре смогут узнать это в режиме реального времени. За последнее десятилетие исследователи работали над датчиками для обнаружения широкого спектра химических соединений, и критическим узким местом стала разработка датчиков, которые можно использовать в живых биологических системах.
Все это меняется с появлением новых датчиков, разработанных Альянсом по исследованиям и технологиям Сингапура и Массачусетского технологического института (SMART), которые способны определять изменения pH в живых растениях - индикатор стресса, вызванного засухой, -и обеспечивать своевременное обнаружение и управление стрессом, вызванным засухой, прежде чем он приведет к необратимой потере урожая.
Исследователи из междисциплинарной исследовательской группы (IRG) Disruptive & Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) SMART, исследовательского предприятия Массачусетского технологического института в Сингапуре, в сотрудничестве с Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) и Массачусетским технологическим институтом (MIT) разработали первые в мире датчики на основе ковалентного органического каркаса (COF), интегрированные в микроиглы из фиброина шелка (SF) для in-planta обнаружения физиологических изменений pH. Было опубликовано две статьи в Nature Communications.
Эта передовая технология позволяет обнаружить снижение кислотности в тканях ксилемы растений, обеспечивая раннее предупреждение о засухе у растений за 48 часов до традиционных методов.
Засуха - или дефицит воды - является существенным стрессором, который приводит к снижению урожайности, влияя на ключевые метаболические пути растений, уменьшая размер листьев, удлинение стебля и пролиферацию корней. При длительном воздействии это может в конечном итоге привести к изменению цвета растений, их увяданию и гибели.
Поскольку проблемы в сельском хозяйстве, в том числе вызванные изменением климата, ростом затрат и нехваткой земельных площадей, продолжают обостряться и отрицательно влиять на производство и урожайность сельскохозяйственных культур, фермеры часто не в состоянии принять упреждающие меры или провести предсимптоматическую диагностику для раннего и своевременного вмешательства.
Это подчеркивает необходимость по улучшению и интеграции датчиков, чтобы облегчить проведение оценок in vivo и своевременное вмешательство в сельскохозяйственную практику.
«Наш тип датчика можно легко прикрепить к растению и опрашивать с помощью простых приборов. Таким образом, он может предоставить фермерам и исследователям эффективные методы анализа, такие как инструменты, которые мы разрабатываем в рамках DISTAP», - сказал профессор Майкл Страно, соавтор-корреспондент, соруководитель DiSTAP и профессор химического машиностроения Carbon P. Dubbs в Массачусетском технологическом институте.
Прорыв SMART решает давнюю проблему для датчиков на основе COF, которые до сих пор не могли взаимодействовать с биологическими тканями. COF - это сети органических молекул или полимеров, которые содержат атомы углерода, связанные с такими элементами, как водород, кислород или азот, организованные в последовательные кристаллоподобные структуры, которые меняют цвет в зависимости от различных уровней pH.
Поскольку стресс от засухи можно обнаружить по изменению уровня pH в тканях растений, этот новый датчик на основе COF позволяет на ранней стадии обнаруживать стресс от засухи у растений посредством измерения уровня pH в тканях ксилемы растений в режиме реального времени. Метод поможет фермерам оптимизировать производство сельскохозяйственных культур и урожайность в условиях меняющегося климата и условий окружающей среды.
Схема использования хромированной ковалентной органической каркасно-шелковой микроиглы для микротомографического картирования физиологических химических веществ. Фото: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53532-7
«Датчики COF-silk являются примером новых инструментов, которые необходимы для повышения точности сельского хозяйства в мире, который стремится повысить глобальную продовольственную безопасность в условиях проблем, вызванных изменением климата, ограниченными ресурсами и необходимостью сокращения выбросов углекислого газа, - сказал профессор Бенедетто Марелли, соавтор, главный исследователь DiSTAP и доцент кафедры гражданского строительства и экологии Массачусетского технологического института. - Благодаря бесшовной интеграции нанодатчиков и биоматериалов можно легко измерять ключевые параметры растительных жидкостей, такие как pH, что, в свою очередь, позволяет нам контролировать здоровье растений».
Важно отметить, что этот метод позволяет проводить трехмерное картирование уровней pH в растительных тканях in vivo с использованием только камеры смартфона, предлагая минимально инвазивный подход к исследованию ранее недоступных сред по сравнению с более медленными и разрушительными традиционными оптическими методами.
Исследователи DiSTAP разработали и синтезировали четыре соединения COF, которые демонстрируют регулируемый кислотный хромизм — изменения цвета, связанные с изменением уровня pH — с микроиглами SF, покрытыми слоем пленки COF из этих соединений. В свою очередь, прозрачность микроигл SF и пленки COF позволяет наблюдать in vivo и визуализировать пространственные распределения pH посредством изменений в цветах, чувствительных к pH.
«Основываясь на нашей предыдущей работе с биоразлагаемыми пленками COF-SF, способными определять порчу продуктов питания, мы разработали метод обнаружения изменений pH в тканях растений. При использовании в растениях соединения COF будут менять цвет с темно-красного на красный по мере повышения pH в тканях ксилемы, что указывает на то, что растения испытывают стресс от засухи и требуют раннего вмешательства для предотвращения потери урожая», - сказал доктор Сон Ван, научный сотрудник SMART DiSTAP и соавтор первой статьи.
«Микроиглы SF прочны и могут быть спроектированы так, чтобы оставаться стабильными даже при взаимодействии с биологическими тканями. Они также прозрачны, что позволяет проводить многомерное картирование минимально инвазивным способом. В сочетании с пленками COF у фермеров теперь есть точный инструмент для мониторинга здоровья растений в режиме реального времени и более эффективного решения таких проблем, как засуха, и повышения устойчивости сельскохозяйственных культур», - сказал доктор Янъян Хань, старший научный сотрудник SMART DiSTAP и соавтор первой статьи.
Данное исследование закладывает основу для будущего проектирования и разработки микроигольной томографической химической визуализации растений с использованием датчиков на основе COF-SF.
Опираясь на это исследование, исследователи DiSTAP будут работать над развитием этой инновационной технологии за пределами определения pH, уделяя особое внимание обнаружению широкого спектра биологически значимых аналитов, таких как фитогормоны и метаболиты.
Источник: Singapore-MIT Alliance for Research and Technology.
На заглавном фото PH-чувствительные сенсорные порошки на основе хромовой ковалентной органической структуры (COF), разработанные исследователями SMART DiSTAP, которые демонстрируют визуальные изменения цвета при раннем обнаружении засухи. Фото: SMART.
