حسگرهای گیاهی می توانند به عنوان یک سیستم هشدار اولیه برای کشاورزان عمل کنند اخبار MIT

محققان MIT و اتحاد تحقیقات و فناوری سنگاپور-MIT (SMART) با استفاده از یک جفت حسگر ساخته شده از نانولوله‌های کربنی، سیگنال‌هایی را شناسایی کرده‌اند که نشان می‌دهند زمانی که برنامه‌ها دچار استرسی مانند گرما، نور یا حمله حشرات یا باکتری‌ها می‌شوند.

این حسگرها دو مولکول سیگنالی را که گیاهان برای هماهنگ کردن پاسخ استرس خود استفاده می‌کنند شناسایی می‌کنند: پراکسید هیدروژن و اسید سالیسیلیک (مولکولی شبیه آسپرین). محققان دریافتند که گیاهان این مولکول‌ها را در مقاطع زمانی مختلف برای هر نوع تنش تولید می‌کنند و الگوهای متمایزی را ایجاد می‌کنند که می‌تواند به عنوان یک سیستم هشدار اولیه عمل کند.

به گفته محققان، کشاورزان می توانند از این حسگرها برای نظارت بر تهدیدهای بالقوه برای محصولات خود استفاده کنند و به آنها اجازه می دهد قبل از از بین رفتن محصولات مداخله کنند.

آنچه ما دریافتیم این است که این دو حسگر با هم می توانند به کاربر بفهمند که گیاه تحت چه نوع استرسی قرار دارد. مایکل استرانو، پروفسور مهندسی شیمی کربن پی. نویسندگان مطالعه

ساروژام راجانی، محقق ارشد در آزمایشگاه علوم زیستی Temasek در سنگاپور، همچنین نویسنده ارشد این مقاله است. کاغذکه در ظاهر می شود ارتباطات طبیعت. نویسندگان اصلی مقاله مروین چون یی آنگ، معاون مدیر علمی SMART و جولی مداتیپارامبیل ساجو، مسئول علمی آزمایشگاه علوم زیستی تماسک هستند.

احساس استرس

گیاهان به انواع مختلف تنش به طرق مختلف پاسخ می دهند. در سال 2020، آزمایشگاه Strano حسگری را توسعه داد که می‌تواند پراکسید هیدروژن را تشخیص دهد، که سلول‌های گیاهی از آن به عنوان سیگنال ناراحتی هنگام حمله حشرات یا مواجهه با استرس‌های دیگر، مانند عفونت باکتریایی یا نور زیاد استفاده می‌کنند.

این حسگرها از نانولوله‌های کربنی ریز تشکیل شده‌اند که در پلیمرها پیچیده شده‌اند. با تغییر ساختار سه بعدی پلیمرها، حسگرها را می توان برای شناسایی مولکول های مختلف طراحی کرد و در هنگام حضور هدف، سیگنال فلورسنت ساطع کرد. برای مطالعه جدید، محققان از این رویکرد برای توسعه حسگری استفاده کردند که می‌تواند اسید سالیسیلیک را شناسایی کند، مولکولی که در تنظیم بسیاری از جنبه‌های رشد، نمو و پاسخ به استرس گیاه نقش دارد.

برای جاسازی نانوحسگرها در گیاهان، محققان آن‌ها را در محلولی حل می‌کنند و سپس روی سطح زیرین برگ گیاه اعمال می‌کنند. حسگرها می توانند از طریق منافذی به نام روزنه وارد برگ ها شوند و در مزوفیل، لایه ای که بیشترین فتوسنتز در آن انجام می شود، مستقر شوند. هنگامی که سنسور فعال می شود، سیگنال را می توان به راحتی با استفاده از دوربین مادون قرمز تشخیص داد.

در این مطالعه، محققان حسگرهای پراکسید هیدروژن و اسید سالیسیلیک را روی پاک چوی، یک سبزی برگ سبز که با نام بوک چوی یا کلم چینی نیز شناخته می شود، اعمال کردند. سپس گیاهان را در معرض چهار نوع استرس مختلف قرار دادند – گرما، نور شدید، نیش حشرات و عفونت باکتریایی – و دریافتند که گیاهان واکنش‌های متمایزی به هر نوع استرس ایجاد می‌کنند.

هر نوع تنش باعث می شود گیاهان در عرض چند دقیقه پراکسید هیدروژن تولید کنند و در عرض یک ساعت به حداکثر مقدار خود می رسند و سپس به حالت عادی باز می گردند. گرما، نور و عفونت باکتریایی تولید اسید سالیسیلیک را در عرض دو ساعت پس از محرک تحریک می کند، اما در مقاطع زمانی مختلف. نیش حشرات به هیچ وجه باعث تولید اسید سالیسیلیک نمی شود.

استرانو می‌گوید این یافته‌ها نشان‌دهنده یک “زبان” است که گیاهان برای هماهنگ کردن پاسخ خود به استرس استفاده می‌کنند. امواج پراکسید هیدروژن و اسید سالیسیلیک باعث ایجاد واکنش های اضافی می شود که به گیاه کمک می کند بدون توجه به نوع استرسی که با آن مواجه است زنده بماند.

در استرسی مانند نیش حشره، این واکنش شامل تولید ترکیبات شیمیایی است که حشرات دوست ندارند و آنها را از گیاه دور می کند. اسید سالیسیلیک و پراکسید هیدروژن همچنین می توانند مسیرهای سیگنال دهی را فعال کنند که شامل تولید پروتئین هایی است که به گیاهان کمک می کند به گرما و سایر استرس ها پاسخ دهند.

“گیاهان مغز ندارند، سیستم عصبی مرکزی ندارند، اما تکامل یافته اند تا مخلوط های مختلفی از مواد شیمیایی را ارسال کنند، و به این ترتیب به بقیه گیاهان می گویند که خیلی گرم شده است یا یک حشره است. استرانو می گوید که شکارچی حمله می کند.

هشدار زودهنگام

این تکنیک اولین تکنیکی است که می تواند اطلاعات بلادرنگ را از یک گیاه به دست آورد و تنها تکنیکی است که تقریباً برای هر گیاهی قابل استفاده است. اکثر حسگرهای موجود از پروتئین‌های فلورسنت تشکیل شده‌اند که باید از نظر ژنتیکی در گونه‌های گیاهی خاصی مانند تنباکو یا یک گیاه آزمایشی معمولی مهندسی شوند. آرابیدوپسیس تالیاناو نمی توان آن را به طور جهانی اعمال کرد.

اکنون محققان در حال تطبیق این حسگرها برای ایجاد گیاهان کنترلی هستند که می‌توان آن‌ها را تحت نظر داشت تا زمانی که محصولاتشان تحت استرس هستند به کشاورزان هشدار داده شود. مثلاً وقتی گیاهان آب کافی دریافت نمی کنند، در نهایت شروع به قهوه ای شدن می کنند، اما وقتی این اتفاق می افتد، معمولاً برای مداخله خیلی دیر است.

با تغییرات آب و هوایی و جمعیت رو به رشد، نیاز شدیدی به درک بهتر نحوه واکنش گیاهان و سازگاری با استرس و طراحی گیاهانی وجود دارد که تحمل بیشتری نسبت به تنش دارند. این اثر تعامل بین H₂O₂النی استاورینیدو، دانشیار ارشد مهندسی زیستی در دانشگاه لینشوپینگ می‌گوید: یکی از مهمترین گونه‌های اکسیژن فعال در گیاهان و هورمون سالیسیلیک اسید که به طور گسترده در واکنش‌های تنش گیاهی نقش دارد و در نتیجه به درک مکانیکی سیگنال‌دهی استرس گیاه کمک می‌کند. در سوئد، که در این مطالعه شرکت نداشت.

این فناوری همچنین می‌تواند برای توسعه سیستم‌هایی مورد استفاده قرار گیرد که نه تنها متوجه می‌شوند که گیاهان در مشکل هستند، بلکه واکنش‌هایی مانند تغییر دما یا مقدار نور در گلخانه را نیز تحریک می‌کنند.

Strano می‌گوید: «ما در حال ترکیب این فناوری در تشخیص‌ها هستیم که می‌تواند اطلاعات بی‌درنگ به کشاورزان بسیار سریع‌تر از هر حسگر دیگری و به اندازه کافی سریع برای مداخله در اختیار کشاورزان قرار دهد.

محققان همچنین در حال توسعه حسگرهایی هستند که می‌توانند برای شناسایی مولکول‌های سیگنال‌دهنده دیگر گیاهان مورد استفاده قرار گیرند، به این امید که در مورد پاسخ آنها به استرس و سایر محرک‌ها اطلاعات بیشتری کسب کنند.

این تحقیق توسط بنیاد ملی تحقیقات سنگاپور و موسسه ملی غذا و کشاورزی USDA تامین مالی شد.