Растения используют перекись водорода для общения внутри своих листьев, посылая сигнал бедствия, который стимулирует клетки листа производить соединения, которые помогут им восстанавливать повреждения или отбиваться от хищников, таких как насекомые. Новые датчики могут использовать эти сигналы перекиси водорода, чтобы различать разные типы стресса, а также разные виды растений.
"У растений очень сложная форма внутренней коммуникации, которую мы можем наблюдать впервые. Это означает, что в режиме реального времени мы можем видеть реакцию живого растения, сообщая о конкретном типе стресса, который оно испытывает », – говорит Майкл Страно, специалист по исследованию углерода P. Дуббс профессор химической инженерии Массачусетского технологического института.
Такой датчик можно использовать для изучения реакции растений на различные типы стресса, что потенциально может помочь ученым-агрономам разработать новые стратегии повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Исследователи продемонстрировали свой подход на восьми различных видах растений, включая шпинат, клубнику и рукколу, и считают, что он может работать во многих других.
Страно – старший автор исследования, которое сегодня публикуется в журнале Nature Plants. Аспирант Массачусетского технологического института Тедрик Томас Салим Лью – ведущий автор статьи.
Встроенные датчики
В течение последних нескольких лет лаборатория Страно изучала потенциал для создания «нанобионных растений» – растений, которые включают наноматериалы, которые дают растениям новые функции, такие как излучение света или обнаружение нехватки воды. В новом исследовании он намеревался включить датчики, которые будут сообщать о состоянии здоровья растений.
Страно ранее разработал сенсоры из углеродных нанотрубок, которые могут обнаруживать различные молекулы, в том числе перекись водорода.
Около трех лет назад Лью начал работать над попыткой встроить эти датчики в листья растений. Исследования Arabidopsis thaliana, часто используемые для молекулярных исследований растений, показали, что растения могут использовать перекись водорода в качестве сигнальной молекулы, но ее точная роль была неясной.
Лью использовал метод, называемый проникновением через липидообменную оболочку (LEEP), чтобы встроить датчики в листья растений. Технология LEEP, разработанная лабораторией Страно несколько лет назад, позволяет создавать наночастицы, способные проникать через мембраны растительных клеток.
Когда Лью работал над встраиванием сенсоров из углеродных нанотрубок, он сделал счастливое открытие.
«Я тренировался, чтобы познакомиться с техникой, и в процессе тренировки случайно поранил растение. Затем я увидел эту эволюцию сигнала перекиси водорода », – говорит он.
Он увидел, что после повреждения листа перекись водорода выделялась из места раны и генерировала волну, которая распространялась по листу, подобно тому, как нейроны передают электрические импульсы в нашем мозгу. Когда растительная клетка выделяет перекись водорода, она вызывает высвобождение кальция в соседних клетках, что стимулирует эти клетки выделять больше перекиси водорода.
«Подобно тому, как последовательно падают домино, это создает волну, которая может распространяться намного дальше, чем одна затяжка перекиси водорода», – говорит Страно. "Сама волна питается от клеток, которые ее принимают и распространяют."
Этот поток перекиси водорода стимулирует клетки растений производить молекулы, называемые вторичными метаболитами, такими как флавоноиды или каротиноиды, которые помогают им восстанавливать повреждения. Некоторые растения также производят другие вторичные метаболиты, которые могут выделяться для защиты от хищников.
Эти метаболиты часто являются источником желаемых пищевых ароматов наших съедобных растений, и они производятся только в условиях стресса.
Ключевым преимуществом нового метода зондирования является то, что его можно использовать для многих различных видов растений. Традиционно биологи растений проводили большую часть своих молекулярно-биологических исследований на определенных растениях, которые поддаются генетическим манипуляциям, включая Arabidopsis thaliana и растения табака. Однако новый подход MIT применим потенциально к любому предприятию.
«В этом исследовании мы смогли быстро сравнить восемь видов растений, и вы не смогли бы сделать это с помощью старых инструментов», – говорит Страно.
Исследователи протестировали растения клубники, шпинат, рукколу, салат, кресс-салат и щавель и обнаружили, что разные виды, по-видимому, производят разные формы волны – отличительную форму, полученную путем сопоставления концентрации перекиси водорода с течением времени. Они предполагают, что реакция каждого растения связана с его способностью противодействовать повреждению.
Каждый вид также по-разному реагирует на разные типы стресса, включая механические травмы, инфекции, тепловые или световые повреждения.
«Эта форма волны содержит много информации для каждого вида, и что еще более интересно, это то, что тип стресса для данного растения закодирован в этой форме волны», – говорит Страно. "Вы можете посмотреть на реакцию в реальном времени, которую растение испытывает практически в любой новой среде."
Реакция на стресс
Флуоресценцию в ближнем инфракрасном диапазоне, создаваемую датчиками, можно отобразить с помощью небольшой инфракрасной камеры, подключенной к Raspberry Pi, компьютеру размером с кредитную карту за 35 долларов, похожему на компьютер внутри смартфона. «Для захвата сигнала можно использовать очень недорогую аппаратуру», – говорит Страно.
По словам Страно, применение этой технологии включает в себя проверку различных видов растений на их способность противостоять механическим повреждениям, свету, теплу и другим формам стресса. Его также можно использовать для изучения того, как различные виды реагируют на болезнетворные микроорганизмы, такие как бактерии, вызывающие позеленение цитрусовых, и грибок, вызывающий кофейную ржавчину.
«Одна из вещей, которые мне интересно сделать, – это понять, почему одни виды растений обладают определенным иммунитетом к этим патогенам, а другие – нет», – говорит он.
Страно и его коллеги из междисциплинарной исследовательской группы «Прорывные и устойчивые технологии для прецизионного сельского хозяйства» в MIT-Singapore Alliance for Research and Technology (SMART), исследовательском предприятии Массачусетского технологического института в Сингапуре, также заинтересованы в изучении того, как растения реагируют на различные условия выращивания в городские фермы.
Одна из проблем, которую они надеются решить, – это избегание тени, которое наблюдается у многих видов растений, когда они выращиваются в высокой плотности.
Такие растения вызывают стрессовую реакцию, которая отвлекает их ресурсы на рост, вместо того, чтобы тратить энергию на производство сельскохозяйственных культур. Это снижает общий урожай сельскохозяйственных культур, поэтому исследователи в области сельского хозяйства заинтересованы в создании растений, чтобы не включать эту реакцию.
«Наш датчик позволяет нам улавливать этот сигнал стресса и точно понимать условия и механизм, которые происходят на заводе выше и ниже по потоку, что позволяет избежать тени», – говорит Страно.
Исследование финансировалось Национальным исследовательским фондом Сингапура, Сингапурским агентством науки, технологий и исследований (A * STAR) и U.S. Программа стипендий по вычислительным наукам Министерства энергетики.