用纳米传感器实时感知植物的压力｜Nature Plants

来源：科研圈

嵌入叶片中的碳纳米管能探测植物遭受损伤时产生的化学信号。

图片来源：Felice Frankel

来源 MIT News Office

撰文 Anne Trafton

翻译 阿金

审校 戚译引

麻省理工学院（MIT）的工程师使用碳纳米管制造的传感器，研发出一种密切跟踪植物如何响应胁迫的方法，比如伤害、感染和光损伤等。这些装置被嵌入植物叶片中，基于过氧化氢信号波作出报告。

植物利用过氧化氢在叶片内通信交流，发送求救信号，刺激叶片细胞产生化合物，协助植物修复损伤，或者驱赶昆虫等天敌。新的传感器能够使用这些过氧化氢信号来区分不同胁迫类型，以及不同植物物种。

“植物拥有非常精细复杂的内部通讯形式，我们现在第一次观测到。这意味着我们能够实时看到活体植物的响应，看到它如何交流所感受到的特异胁迫类型。”MIT 的 Carbon P. Dubbs 化学工程教授麦克·斯特朗诺（Michael Strano）说。

这种传感器可用来研究植物如何响应不同类型的胁迫，有望协助农业科学家研发出提升农作物产量的新策略。研究人员在八种不同植物中演示了他们的方法，包括菠菜、草莓植物和芝麻菜，他们还相信该装置可用在更多地方。

斯特朗诺是该研究的资深作者，研究发表在《自然·植物》（Nature Plants）杂志上。MIT的研究生泰德里克·托马斯·萨利姆·刘易（Tedrick Thomas Salim Lew）是论文的主要作者。

嵌入式传感器

过去几年内，斯特朗诺的实验室一直探索工程设计“纳米仿生植物”的潜力，即将纳米材料与植物结合，赋予植物新的功能，比如发光或者探测水分短缺。在这项新研究中，他着手添加能够报告植物健康状况的传感器。

斯特朗诺先前研发过碳纳米管传感器，这些传感器能够探测不同分子，比如过氧化氢。大约三年前，刘易开始努力尝试将这些装置嵌入植物叶片中。拟南芥（Arabidopsis thaliana）常用于植物分子研究，这些研究表明，植物可能使用过氧化氢作为信号传导分子，但其确切作用尚不清楚。

刘易使用一种称作脂质交换膜渗透（LEEP）的方法将传感器嵌入植物叶片中。LEEP 是斯特朗诺实验室几年前研发的技术，用来设计能够渗透植物细胞膜的纳米颗粒。由于刘易一直钻研如何嵌入碳纳米管传感器，他有了一次偶然发现。

他说：“我过去一直训练自己熟悉这项技术，在训练过程中，我不小心弄伤了植物。然后看到了过氧化氢信号的演变。”

他看到植物受伤之后，过氧化氢从伤口位点被释放出来，产生一种波，沿着叶片扩散出去，类似于我们大脑中神经元传输电脉冲信号。随着植物释放出过氧化氢，就会触发相邻细胞内钙的释放，从而刺激那些细胞释放更多的过氧化氢。

“就像多米诺骨牌一样，这让波传播得比单次释放的过氧化氢要远得多。”斯特朗诺说，“细胞接收信号波后，又产生了更多的信号波，进行进一步传播。”

这股过氧化氢洪流刺激植物细胞产生称为次生代谢物的分子，比如黄酮类化合物或者类胡萝卜素，帮助植物修复损伤。一些植物还会分泌其他次生代谢物，用来驱赶天敌。这些代谢物质往往是可食用植物中我们喜欢味道的来源，它们只会在受到胁迫时产生。

这种新传感技术的关键优势在于适用许多不同植物物种。传统上，植物生物学家在某些可进行遗传调控的植物中展开大量分子生物学研究，包括拟南芥和烟草植物。而MIT的新方法有潜力适用于任何植物。

斯特朗诺说：“在这项研究中，我们能够快速比较八种植物，而用过去的工具就无法做到。”

研究人员测试了草莓、菠菜、芝麻菜、莴苣、水芹和酢浆草，他们发现不同的物种似乎产生不同的波形，过氧化氢随时间相关的浓度变化有着独特的规律。他们假设，每种植物的响应与它应对损伤的能力相关。每一物种面对不同胁迫似乎会做出不同的响应，包括机械损伤、感染、热损伤和光损伤。

“对于每种物种，这种波形包含很多信息，甚至更让人激动的是，波形中编码着给定植物的胁迫类型。”斯特朗诺说，“你可以观察植物在几乎任何新环境下经历的实时反应。”

胁迫反应

传感器产生的近红外线荧光可以通过连接到树莓派（Raspberry Pi）的小型红外线摄像机成像，树莓派是价值 35 美元、信用卡大小的计算机，类似于智能手机内的计算机。斯特朗诺说：“这种非常廉价的工具可用来捕捉信号。”

斯特朗诺说，这项技术的应用包括筛选不同类型的植物种类，确定其抵抗机械损伤、光损伤、热损伤和其他胁迫类型的能力。还能用来研究不同物种如何应对病原体，比如导致柑橘变绿的细菌，以及让咖啡得锈病的真菌。

“我感兴趣的一件事情就是理解为什么某些类型的植物对这些病原体免疫，而其他植物就不行。”他继续说。

斯特朗诺还有兴趣研究植物如何响应城市农场的不同生长环境，这方面工作是和在 MIT-新加坡研究技术联盟（SMART）颠覆性和可持续性精准农业技术（ Disruptive and Sustainable Technology for Agricultural Precision ）跨学科研究小组的同事一起进行的。

他们希望解决的一个问题是植物的蔽荫反应（shade avoidance），这是生长在高密度环境中的植物的常见反应。这类植物会启动一种胁迫反应：转移资源让自己长得更加高大，而不是将能量投入作物生产。这会降低作物的整体产量，所以农业研究人员很有兴趣工程改造植物，来避免启动这样的响应机制。

斯特朗诺说：“我们的传感器能让我们解释胁迫信号，准确地理解发生在植物上游和下游中导致蔽阴反应的条件和机制。”

该研究接受新加坡国家研究基金会，新加坡科技研究局（A*STAR），以及美国能源计算机科学研究生奖学金项目的资助。

论文信息

【论文标题】Real-time detection of wound-induced H2O2 signalling waves in plants with optical nanosensors

【论文作者】Tedrick Thomas Salim Lew, Volodymyr B. Koman, Kevin S. Silmore, Jun Sung Seo, Pavlo Gordiichuk, Seon-Yeong Kwak, Minkyung Park, Mervin Chun-Yi Ang, Duc Thinh Khong, Michael A. Lee, Mary B. Chan-Park, Nam-Hai Chua & Michael S. Strano

【发表期刊】Nature Plants

【发表日期】2020.04.15

【论文链接】https://www.nature.com/articles/s41477-020-0632-4 

【论文编号】10.1038/s41477-020-0632-4

【论文摘要】Decoding wound signalling in plants is critical for understanding various aspects of plant sciences, from pest resistance to secondary metabolite and phytohormone biosynthesis. The plant defence responses are known to primarily involve NADPH-oxidase-mediated H2O2 and Ca2+ signalling pathways, which propagate across long distances through the plant vasculature and tissues. Using non-destructive optical nanosensors, we find that the H2O2 concentration profile post-wounding follows a logistic waveform for six plant species: lettuce (Lactuca sativa), arugula (Eruca sativa), spinach (Spinacia oleracea), strawberry blite (Blitum capitatum), sorrel (Rumex acetosa) and Arabidopsis thaliana, ranked in order of wave speed from 0.44 to 3.10 cm min−1. The H2O2 wave tracks the concomitant surface potential wave measured electrochemically. We show that the plant RbohD glutamate-receptor-like channels (GLR3.3 and GLR3.6) are all critical to the propagation of the wound-induced H2O2 wave. Our findings highlight the utility of a new type of nanosensor probe that is species-independent and capable of real-time, spatial and temporal biochemical measurements in plants.