Naukowcy z zespołu SMART DiSTAP opracowali miniaturowy czujnik, który pozwala w czasie rzeczywistym śledzić wzrost roślin i rozpoznawać ich reakcje na stres. Dzięki fluorescencyjnemu nanosensorowi możliwe będzie lepsze zrozumienie, jak rośliny radzą sobie z suszą, zanieczyszczeniami czy chorobami – co może pomóc w zwiększeniu plonów i poprawie bezpieczeństwa żywności w dobie zmian klimatycznych.

Jak stres wpływa na dobrostan roślin

Na skutek zmian klimatycznych coraz częściej mają miejsce ekstremalne temperatury, susze, zasolenie gleby oraz powodzie. Te zjawiska nie tylko stanowią wyzwanie dla lokalnych społeczności, ale i nie są obojętne dla dobrostanu roślin. Tego typu gwałtowne zjawiska wywołują u nich stres abiotyczny. Dodatkowo zanieczyszczenie gleby, patogeny i szkodniki powodują u roślin stres biotyczny, z czego oba te zjawiska stanowią poważne wyzwanie dla bezpieczeństwa żywnościowego. Rośliny dotknięte stresem hamują swój wzrost, doświadczają zmian morfologicznych i wykształcają reakcje obronne. Monitorowanie cząsteczek sygnalizujących stres roślin to kluczowa metoda gwarantująca wczesną diagnozę i zapobieganie chorobom. Stosowane dotychczas sposoby były jednak zbyt mało czułe, by wykryć drobne reakcje stresowe lub wręcz przeciwnie – zbyt inwazyjne. Przykładowo chromatografia cieczowa wymagała pobrania próbek roślinnych, co prowadzi do ich uszkodzenia. 

Ultradźwięki w służbie recyklingu. Przełom w odzysku materiałów z ogniw paliwowych

Innowacyjna metoda monitorowania stresu u roślin

Zintegrowana grupa badawcza DiSTAP działająca w ramach Singapore-MIT Alliance for Research and Technology opracowała pierwszy na świecie fluorescencyjny nanoczujnik, który przy pomocy bliskiej podczerwieni umożliwia wykrywanie hormonu stresu u roślin. Chodzi o kwas indolilo-3-octowy (IAA), główny bioaktywny hormon auksyny, który kontroluje sposób, w jaki rośliny rozwijają się, rosną i reagują na stres. IAA odgrywa kluczową rolę w regulacji procesów takich jak podział komórek, wzrost, rozwój korzeni, pędów oraz reakcji na sygnały środowiskowe. Bodźce zewnętrzne, na przykład światło wpływają na sposób przemieszczenia się auksyny w roślinie, im wyższa temperatura, tym więcej produkowanej auksyny. Brak wody może dodatkowo zaburzyć równowagę hormonalną roślin, przez co nie mogą prawidłowo rosnąć, dostosowywać się do zmiennych warunków i produkować pożywienie.

Najnowszy nanosensor SMART składa się z jednościennych nanorurek węglowych owiniętych w specjalnie zaprojektowany polimer, który pozwala śledzić poziom auksyny w czasie rzeczywistym i to z wysoką precyzją. Wszystko dzięki obrazowaniu w bliskiej podczerwieni, które nieinwazyjnie monitoruje wahania IAA w tkankach takich jak liście i korzenie, z pominięciem zakłóceń chlorofilu. Co istotne, sensor nie wymaga modyfikacji genetycznej roślin, co czyni go bezpiecznym również dla upraw konsumpcyjnych.

Zastosowanie nanosensorów w rolnictwie

Dzięki precyzyjnym pomiarom auksyny w czasie rzeczywistym rolnicy będą mogli dokładnie monitorować swoje rośliny pod kątem ich zdrowia. Umożliwi to podejmowanie skutecznych działań dotyczących nawożenia, nawadniania, przycinania i dostarczania roślinom składników odżywczych. Wszystko to, by poprawić wzrost i jakość upraw oraz zwiększyć ich odporność na stres.

Potrzebujemy nowych technologii, aby rozwiązać problem braku bezpieczeństwa żywnościowego i zmiany klimatu na całym świecie. Auksyna jest centralnym sygnałem wzrostu w żywych roślinach, a ta praca daje nam sposób na wykorzystanie jej do przekazywania rolnikom i badaczom nowych informacji – mówi profesor Michael Strano, współprowadzący główny badacz w DiSTAP.

Naukowcy z DiSTAP nie zwalniają i na podstawie sukcesu wynalazku planują opracowanie kolejnych narzędzi służących do monitorowania zdrowia roślin różnych gatunków. Dążą do połączenia wielu platform czujników, aby jednocześnie wykrywać IAA oraz jego powiązane metabolity i stworzyć kompleksowy profil sygnalizacji hormonalnej. Udoskonalenie tych metod pomoże nam zwiększyć świadomość na temat procesów stresowych u roślin, co przyczyni się do eliminacji wielu chorób. To przełomowe osiągnięcie, które może znacząco wpłynąć na rozwój precyzyjnego rolnictwa i poprawę globalnego bezpieczeństwa żywnościowego.

Zobacz też: Rośliny kontra mikroplastik. Okra i kozieradka oczyszczają wodę nawet w 90%

Źródła: MIT News, Nature Communications

Fot: Canva

Artykuł stanowi utwór w rozumieniu Ustawy 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Wszelkie prawa autorskie przysługują swiatoze.pl. Dalsze rozpowszechnianie utworu możliwe tylko za zgodą redakcji.