محققان گروه تحقیقاتی میان رشته‌ای فناوری‌های مخرب و پایدار برای دقت کشاورزی (DiSTAP) (IRG) اتحادیۀ تحقیقات و فناوری سنگاپور-MIT (SMART)، شرکت تحقیقاتی MIT در سنگاپور، با همکاری آزمایشگاه علوم زیستی Temasek (TLL) و ماساچوست موسسه فناوری (MIT)، یک نانوحسگر ایجاد کرده است که امکان نظارت بر زمان واقعی اسید سالیسیلیک (SA) را در مراحل اولیه پاسخ به استرس فراهم می‌کند. SA یک هورمون گیاهی حیاتی برای رشد، نمو و پاسخ استرس به عوامل بیماری زا، دما، خشکی، شوری، فلزات، نور UV و استرس اسمزی است. محققان همچنین پیشگام روشی برای مالتیپلکس کردن یا ترکیب این حسگر با سایر حسگرها برای ردیابی همزمان و بی‌درنگ پروفایل‌های هورمون‌های گیاهی و سیگنال‌های شیمیایی متعدد هستند.
این بینش در ارتباط پیچیده در گیاهان تحت استرس در کشت محصولاتی که در برابر عوامل استرس زای مختلف، از جمله تغییرات آب و هوایی مقاوم هستند، حیاتی است. روش‌های سنتی تشخیص تنش در گیاهان متکی به آزمایش‌های آزمایشگاهی پرزحمت، زمان‌بر، و مخرب و مخرب رشد گیاه هستند، در حالی که فناوری‌های نوظهور مانند فلورسانس کلروفیل و تصویربرداری فراطیفی بر تغییرات متابولیکی تمرکز می‌کنند که زمانی که اقدامات ترمیمی محدود و فقط انجام می‌شود. پس از ادراک استرس اولیه و سیگنال دهی.
محققان SMART در مقاله‌ای با عنوان «رمزگشایی امواج سیگنال‌دهی استرس اولیه در گیاهان زنده با استفاده از چندگانه‌سازی نانوحسگر» که اخیراً در ژورنال Nature Communications منتشر شده است، پیشرفت‌های مضاعف خود را در نظارت بر سلامت گیاهان ثبت کرده‌اند. در مرحله اول، توسعه اولین نانوحسگر که در داخل گیاه در پاک چوی زنده (معمولاً به عنوان کلم چینی شناخته می‌شود) تأیید شده است که به طور خاص SA را شناسایی می‌کند، یک کلید هورمون گیاهی در میانجی‌گری پاسخ به استرس و سازگاری گیاه. ثانیاً، محققان همچنین پیشگام روشی برای ترکیب این حسگر با سایر سنسورها بودند که راه را برای ردیابی همزمان و در زمان واقعی سیگنال‌های شیمیایی و نشانگرهای استرس متعدد گیاه در مراحل اولیه تنش هموار می‌کند که به نوبه خود می‌تواند تشخیص‌های اولیه و در نهایت امکان‌پذیر باشد. ، تحمل به تنش گیاه را بهبود می بخشد و تلفات محصول را به دلیل تنش های محیطی کاهش می دهد.
این تحقیق و فناوری بر اساس مجموعه کار طولانی مدت SMART DiSTAP با حسگرهای گیاهی نوآورانه مبتنی بر مفهوم تشخیص مولکولی فاز کرونا (CoPhMoRe) که توسط آزمایشگاه Strano در SMART DiSTAP و MIT پیشگام است، ساخته شده است. این شامل پیشرفتی توسط DiSTAP در سال 2021 در توسعه اولین نانوحسگر است که آزمایش سریع هورمون‌های گیاهی اکسین مصنوعی را امکان‌پذیر می‌کند و به دنبال آن اولین نانوحسگر در جهان در سال 2023 با اولین نانوحسگر طراحی شده برای تشخیص و تشخیص جیبرلین‌ها (GAs) انجام شد. – دسته ای از هورمون های مهم برای رشد گیاه. این موفقیت مفهوم CoPhMoRe اکنون با جدیدترین توسعه یک حسگر نانوبیونیک گیاهی بسیار انتخابی برای SA از طریق یک فرآیند متمایز و منحصر به فرد طراحی، سنتز و آزمایش پیشرفت کرده است.
پروفسور مایکل استرانو، نویسنده مسئول، سرپرست مشترک DiSTAP، گفت: “این حسگر برای SA به ما بینش هایی در مورد یک زبان سیگنال جدید در گیاهان زنده می دهد. اکنون کشاورزان می توانند در زمان واقعی انواع خاصی از استرس و عوامل استرس زا را که بر محصولات تاثیر می گذارند درک کنند.” محقق اصلی و پروفسور کربن پی. دابز در مهندسی شیمی در MIT.
جولی ساجو، مسئول تحقیقات TLL و نویسنده مقاله، با تأکید بر اهمیت نظارت بر سطوح SA در گیاهان، به اشتراک گذاشت: “نوسانات در سطوح SA به عنوان شاخص های اولیه تنش گیاه عمل می کند. با استفاده از قدرت حسگرهای نانوبیونیک گیاهی طراحی شده است. به طور خاص برای تشخیص SA، کشاورزان اکنون می توانند به طور فعال سطوح تنش را در گیاهان بسنجند، قبل از اینکه علائم قابل مشاهده ظاهر شوند.
برای نشان دادن قدرت حسگرهای چندگانه، محققان حسگر SA را با سنسور دیگری که برای تشخیص پراکسید هیدروژن (H2O2) طراحی شده بود جفت کردند. سپس گیاهانی مانند pak choi را در معرض عوامل استرس زا قرار دادند، از جمله نوسانات نور، گرمای شدید، حملات پاتوژن، و حتی زخم مکانیکی (آسیب فیزیکی به گیاه که نیش حشرات را تقلید می کند). نتایج نشان داد که هر نوع تنش باعث ایجاد الگوی منحصربه‌فردی از پاسخ تولید SA و H2O2 در گیاه می‌شود. این کشف درک عمیق‌تری از نحوه ارتباط گیاهان و مقابله با تنش‌های مختلف ارائه می‌دهد و راه را برای توسعه محصولات با انعطاف‌پذیری افزایش یافته هموار می‌کند. در نهایت، در مواجهه با چالش هایی مانند تغییرات آب و هوایی، به تامین امنیت جهانی غذا کمک می کند.
دکتر مروین چون یی آنگ، دانشمند پژوهشی اصلی در SMART DiSTAP و یکی از نویسندگان مقاله گفت: «این فناوری پیشگامانه نشان دهنده یک جهش به جلو در تشخیص و تشخیص تنش گیاهی است. “با بازگشایی پتانسیل کامل آن از طریق چندگانه سازی حسگر، تجزیه و تحلیل جامع داده ها و مدل سازی محاسباتی، ما آینده ای را متصور می شویم که در آن تشخیص در مزرعه می تواند کشاورزان را برای بهینه سازی سلامت و انعطاف پذیری محصول توانمند کند. این فناوری به طور بالقوه می تواند کشاورزی شهری را متحول کند و کشاورزی ایمن تر و ایمن تر را تقویت کند. تامین غذای جهانی پایدار.”
توانایی بررسی فعال‌سازی و هماهنگی مولکول‌های سیگنال‌دهنده مختلف به‌طور همزمان در طی واکنش‌های تنش گیاهی، واقعاً درک ما از واکنش گیاهان به استرس و مکانیسم‌های درگیر را افزایش می‌دهد. دکتر رجانی ساروژام، نویسنده مسئول، محقق ارشد ارشد در TLL و محقق اصلی در DiSTAP، افزود: ارائه رویکردهای جدید برای افزایش انعطاف‌پذیری گیاه در برابر تغییرات آب و هوایی.
SMART DiSTAP در حال حاضر روی مالتی پلکس کردن حسگرهای مختلف کار می کند تا تصویر جامع تری از تنش گیاه ایجاد کند. کاربردهای صنعتی آینده شامل ادغام چنین نانوحسگرهای چندگانه در گیاهان خاص در یک دسته از محصولات، تبدیل این گیاهان به نگهبان برای کل دسته با نظارت بر متغیرهای محیطی، پاتوژن‌ها و تنش‌ها و دادن داده‌های بلادرنگ در مورد سلامت محصول به کشاورزان است.
طراحی و توسعه نانوحسگرها و فرمول‌بندی مدل ریاضی رمزگشایی تنش‌های مختلف گیاهی توسط SMART و MIT انجام شد. TLL مسئول طراحی، اجرا و تجزیه و تحلیل مطالعات مربوط به گیاه، از جمله اعتبارسنجی نانوحسگرها در گیاهان تراریخته بود. این تحقیق توسط SMART انجام می شود و توسط NRF تحت برنامه پردیس خود برای تعالی تحقیقات و شرکت فناوری (CREATE) پشتیبانی می شود.
منبع: distap.mit.edu