麻省理工学院的安妮·特拉顿 碳纳米管
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0 麻省理工学院的工程师开发了一种方法，利用碳纳米管制成的传感器，可以密切跟踪植物对伤害、感染和光损伤等压力的反应
这些传感器可以嵌入植物叶片中，在那里它们报告过氧化氢信号波
植物利用过氧化氢在叶片内进行交流，发出求救信号，刺激叶片细胞产生化合物，帮助它们修复损伤或抵御昆虫等捕食者
新的传感器可以利用这些过氧化氢信号来区分不同类型的压力，以及不同种类的植物
“植物有一种非常复杂的内部交流方式，我们现在可以第一次观察到
这意味着实时地，我们可以看到一个活的植物的反应，传达它正在经历的特定类型的压力
麻省理工学院化学工程教授
这种传感器可以用来研究植物如何应对不同类型的压力，有可能帮助农业科学家开发新的策略来提高作物产量
研究人员在八种不同的植物物种中展示了他们的方法，包括菠菜、草莓和芝麻菜，他们相信它可以在更多的物种中发挥作用
斯特拉诺是这项研究的资深作者，这项研究发表在今天的《自然植物》杂志上
麻省理工学院研究生特德里克·托马斯·萨利姆·卢是这篇论文的主要作者
嵌入式传感器 在过去的几年里，斯特拉诺的实验室一直在探索工程“纳米仿生植物”的潜力——这种植物结合了纳米材料，赋予植物新的功能，如发光或检测缺水
在新的研究中，他开始整合传感器，以报告植物的健康状况
斯特拉诺之前已经开发了碳纳米管传感器，可以检测各种分子，包括过氧化氢
大约三年前，卢开始尝试将这些传感器整合到植物叶片中
经常用于植物分子研究的拟南芥研究表明，植物可能使用过氧化氢作为信号分子，但其确切作用尚不清楚
卢使用了一种叫做脂质交换包膜渗透(LEEP)的方法将传感器结合到植物叶片中
斯特拉诺实验室几年前开发的LEEP允许设计能穿透植物细胞膜的纳米粒子
当卢致力于嵌入碳纳米管传感器时，他有了一个意外的发现
“我正在训练自己熟悉这项技术，在训练过程中，我不小心在植物上造成了伤口
然后我看到了过氧化氢信号的演变，”他说
他看到一片叶子受伤后，过氧化氢从伤口处释放出来，产生一种沿着叶子传播的波，类似于神经元在我们大脑中传递电脉冲的方式
当植物细胞释放过氧化氢时，它会触发邻近细胞内的钙释放，从而刺激这些细胞释放更多的过氧化氢
斯特拉诺说:“就像多米诺骨牌接连倒下一样，这使得海浪的传播速度远远超过过氧化氢单独喷出的速度。”
“电波本身是由接收和传播电波的细胞提供能量的
" 过氧化氢的泛滥刺激植物细胞产生被称为次级代谢物的分子，如类黄酮或类胡萝卜素，这有助于它们修复损伤
一些植物还产生其他次级代谢物，这些次级代谢物可以被分泌出来抵御捕食者
这些代谢物通常是我们在食用植物中想要的食物风味的来源，并且它们仅在压力下产生
这种新的传感技术的一个主要优点是它可以用于许多不同的植物种类
传统上，植物生物学家已经在某些植物中进行了大量的分子生物学研究，包括拟南芥和烟草植物
然而，新的麻省理工学院方法适用于任何潜在的植物
斯特拉诺说:“在这项研究中，我们能够快速比较八种植物，而用旧工具是做不到的。”
研究人员测试了草莓、菠菜、芝麻菜、莴苣、豆瓣菜和酢浆草，发现不同的物种似乎产生不同的波形——通过绘制过氧化氢浓度随时间的变化而产生的独特形状
他们假设每种植物的反应与其抵消损害的能力有关
每个物种似乎对不同类型的压力也有不同的反应，包括机械损伤、感染、热和光损伤
斯特拉诺说:“这个波形包含了每个物种的大量信息，更令人兴奋的是，给定植物的压力类型被编码在这个波形中。”
“你可以观察植物在几乎任何新环境下的实时反应
" 应激反应 传感器产生的近红外荧光可以用一个连接到树莓皮的小型红外摄像头成像，树莓皮是一台35美元的信用卡大小的电脑，类似于智能手机内的电脑
“非常便宜的仪器可以用来捕捉信号，”斯特拉诺说
斯特拉诺说，这项技术的应用包括筛选不同种类的植物抵抗机械损伤、光、热和其他形式压力的能力
它还可以用来研究不同物种对病原体的反应，比如导致柑橘变绿的细菌和导致咖啡锈病的真菌
“我感兴趣的事情之一是理解为什么某些类型的植物对这些病原体表现出一定的免疫力，而另一些则没有，”他说
斯特拉诺和他在麻省理工学院-新加坡研究与技术联盟(SMART)农业精准破坏性和可持续技术跨学科研究小组的同事也对研究植物如何应对城市农场的不同生长条件感兴趣
他们希望解决的一个问题是避荫，这在许多高密度种植的植物中都可以看到
这种植物会对压力做出反应，将它们的资源转移到长高上，而不是将能量用于生产作物
这降低了整体作物产量，所以农业研究人员对工程植物感兴趣，这样就不会启动这种反应
斯特拉诺说:“我们的传感器可以让我们截取压力信号，并准确了解植物上游和下游产生遮荫的条件和机制。”
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