Разработаны первые нанотрубочные сенсоры для детекции и различения гиббереллинов — гормонов растений
Исследователи из междисциплинарной исследовательской группы (IRG) «Прорывные и устойчивые технологии для точного земледелия» (DiSTAP) альянса Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) и их коллеги из Temasek Life Sciences Laboratory (TLL) создали первые в мире наносенсоры, способные детектировать и различать гиббереллины (GAs) — класс гормонов растений, критически важных для роста.
Новые наносенсоры являются неразрушающими, в отличие от традиционных методов анализа, и успешно протестированы на живых растениях. Их применение в полевых условиях для мониторинга стресса у растений на ранней стадии может стать прорывом для сельского хозяйства и биотехнологий, предоставив фермерам ценный инструмент для оптимизации урожайности.
Исследователи разработали флуоресцентные сенсоры на основе углеродных нанотрубок ближнего инфракрасного (NIR) диапазона, способные обнаруживать и различать два растительных гормона: GA3 и GA4. Эти гормоны, относящиеся к классу гиббереллинов, являются дитерпеноидными фитогормонами, которые модулируют разнообразные процессы роста и развития растений.
Считается, что гиббереллины сыграли роль в движущих силах «зеленой революции» 1960-х годов. Их дальнейшее изучение может привести к новым прорывам в агронауке и повлиять на продовольственную безопасность.
Изменение климата и повышение уровня моря приводят к засолению почв, что, как известно, негативно регулирует биосинтез GA и стимулирует их метаболизм, снижая содержание гиббереллинов в растениях.
Новые наносенсоры позволяют изучать динамику GA в живых растениях при солевом стрессе на очень ранней стадии, что в перспективе может позволить фермерам проводить раннее вмешательство. Это основа для раннего обнаружения стресса.
В настоящее время методы детекции GA3 и GA4 обычно требуют масс-спектрометрического анализа — трудоемкого и разрушающего процесса. В отличие от них, новые сенсоры высокоселективны к соответствующим GA и позволяют проводить мониторинг изменений уровня гормонов в реальном времени in vivo для широкого спектра видов растений.
Исследование, описанное в статье в Nano Letters, представляет собой прорыв в раннем обнаружении стресса у растений. Оно основано на предыдущих работах команды SMART DiSTAP по наносенсорам на основе однослойных углеродных нанотрубок (SWNT) с использованием платформы молекулярного распознавания коронной фазы (CoPhMoRe).
Основываясь на концепции CoPhMoRe, разработанной лабораторией Страно в MIT, новые сенсоры способны детектировать кинетику GA в корнях различных модельных и немодельных растений, включая Arabidopsis, салат и базилик, а также накопление GA при образовании боковых корней.
Это стало возможным благодаря сопутствующей разработке нового совмещенного Раман/NIR флуориметра, который позволяет проводить самореферентное измерение NIR-флуоресценции наносенсора по его Раман G-полосе. Эта инновация устраняет необходимость в отдельном референтном наносенсоре и упрощает аппаратные требования, используя один оптический канал для измерения концентрации гормона.
Используя реверсивные GA-сенсоры, исследователи обнаружили повышенный эндогенный уровень GA у мутантных растений, продуцирующих большее количество ключевого фермента биосинтеза GA20ox1, а также пониженный уровень GA у растений в условиях солевого стресса. При стрессе рост салата сильно замедлялся, но это становилось очевидным только через 10 дней. В то же время наносенсоры GA зафиксировали снижение уровня гормонов уже через 6 часов, продемонстрировав свою эффективность как гораздо более ранний индикатор стресса.
«Наша технология предлагает быстрый, проводимый в реальном времени и in vivo метод мониторинга изменений уровня GA практически в любом растении и может заменить современные трудоемкие, разрушающие, специфичные для вида и гораздо менее эффективные методы», — заявил соавтор исследования профессор Майкл Страно.
Доктор Марвин Чун-И Анг, соавтор статьи, добавил: «Мы также продемонстрировали аппаратную инновацию в виде нового совмещенного Раман/NIR флуориметра... что представляет собой крупный шаг в переводе наших инструментов наносенсорики в поле».
«В ближайшем будущем наши сенсоры могут быть объединены с недорогой электроникой, портативными оптодами или интерфейсами микрон игл для промышленного использования», — отметил он.
Как пояснил соавтор исследования доцент Дайсуке Урано: «Наши новые GA-наносенсоры могут применяться в поле для мониторинга стресса у растений на ранней стадии, а также использоваться аграриями для отслеживания усвоения или метаболизма GA в их культурах».
Дизайн и разработка наносенсоров, создание и валидация совмещенного флуориметра и алгоритмов обработки данных, а также статистический анализ были выполнены SMART и MIT. TLL отвечал за дизайн, проведение и анализ исследований на растениях, включая валидацию наносенсоров в живых растениях.