Yapraklara gömülü karbon nanotüpler, bir bitki hasar gördüğünde üretilen kimyasal sinyalleri algılar.
MIT mühendisleri, karbon nanotüplerinden yapılmış sensörleri kullanarak bitkilerin yaralanma, enfeksiyon ve hafif hasar gibi streslere nasıl tepki verdiğini yakından takip etmenin bir yolunu geliştirdiler. Bu sensörler, hidrojen peroksit sinyal dalgalarını rapor ettikleri bitki yapraklarına gömülebilir.
Bitkiler, yapraklarında iletişim kurmak için hidrojen peroksit kullanırlar, yaprak hücrelerini, hasarları onarmaya veya böcekler gibi yırtıcıları savuşturmaya yardımcı olacak bileşikler üretmeye teşvik eden bir sıkıntı sinyali gönderirler. Yeni sensörler, farklı stres türlerinin yanı sıra farklı bitki türleri arasında ayrım yapmak için bu hidrojen peroksit sinyallerini kullanabilir.
“Bitkiler, şimdi ilk kez gözlemleyebileceğimiz çok gelişmiş bir iç iletişim biçimine sahipler. Bu, gerçek zamanlı olarak, yaşayan bir bitkinin tepkisini görebildiğini ve deneyimlediği belirli bir stres türünü ilettiğini gösteriyor, ”diyor MIT'de Kimya Mühendisliği Karbon P. Dubbs Profesörü Michael Strano.
Bu tür bir sensör, bitkilerin farklı stres türlerine nasıl tepki verdiğini incelemek için kullanılabilir ve potansiyel olarak tarım bilimcilerinin mahsul verimlerini iyileştirmek için yeni stratejiler geliştirmelerine yardımcı olur. Araştırmacılar, ıspanak, çilek bitkileri ve roka da dahil olmak üzere sekiz farklı bitki türünde yaklaşımlarını gösterdiler ve daha birçok alanda çalışabileceğine inanıyorlar.
Strano, bugün Nature Plants'da ortaya çıkan araştırmanın kıdemli yazarıdır . MIT yüksek lisans öğrencisi Tedrick Thomas Salim Lew makalenin baş yazarıdır.
Gömülü sensörler
Son birkaç yıldır, Strano'nun laboratuvarı, bitkilere ışık yayan veya su kıtlığını tespit etme gibi yeni işlevler veren nanomalzemeleri içeren “nanobiyonik tesislerin” mühendislik potansiyelini araştırıyor. Yeni çalışmada, bitkilerin sağlık durumu hakkında rapor verecek sensörleri dahil etmeye başladı.
Strano daha önce hidrojen peroksit de dahil olmak üzere çeşitli molekülleri tespit edebilen karbon nanotüp sensörleri geliştirmişti. Yaklaşık üç yıl önce, Lew bu sensörleri bitki yapraklarına dahil etmeye çalışmak için çalışmaya başladı. Çalışmalar , Arabidopsis thaliana , genellikle bitki moleküler çalışmalar için kullanılan, bitkiler bir sinyal molekülü olarak hidrojen peroksit kullanılan olabileceği ileri sürülmüştür, ancak bunun tam rolü açık değildir.
Lew, sensörleri bitki yapraklarına dahil etmek için lipit değişim zarfı penetrasyonu (LEEP) adı verilen bir yöntem kullandı. Strano'nun laboratuvarının birkaç yıl önce geliştirdiği LEEP, bitki hücre zarlarına nüfuz edebilen nanopartiküllerin tasarımına izin verir. Lew karbon nanotüp sensörlerini gömmek için çalışırken, tesadüfi bir keşif yaptı.
“Tekniğe alışmak için kendimi eğitiyordum ve eğitim sürecinde tesise yanlışlıkla bir yara verdim. Sonra hidrojen peroksit sinyalinin bu evrimini gördüm ”diyor.
Bir yaprak yaralandıktan sonra, hidrojen peroksitin yara bölgesinden salındığını ve nöronların beynimizdeki elektriksel uyarıları iletme şekline benzer şekilde yaprak boyunca yayılan bir dalga ürettiğini gördü. Bir bitki hücresi hidrojen peroksiti serbest bıraktığında, bitişik hücreler içinde kalsiyum salınımını tetikler ve bu hücreleri daha fazla hidrojen peroksit salmaya teşvik eder.
“Art arda düşen dominos gibi, bu da tek başına hidrojen peroksit pufundan çok daha fazla yayılabilen bir dalga yapar” diyor Strano. “Dalganın kendisi onu alan ve yayan hücreler tarafından güçlendiriliyor.”
Bu hidrojen peroksit seli, bitki hücrelerini, hasarı onarmalarına yardımcı olan flavonoidler veya karotenoidler gibi ikincil metabolitler adı verilen moleküller üretmeye teşvik eder. Bazı bitkiler ayrıca avcıları savuşturmak için salgılanabilen diğer ikincil metabolitleri üretir. Bu metabolitler genellikle yenilebilir bitkilerimizde arzu ettiğimiz gıda aromalarının kaynağıdır ve sadece stres altında üretilirler.
Yeni algılama tekniğinin önemli bir avantajı, birçok farklı bitki türünde kullanılabilmesidir. Geleneksel olarak bitki biyologları, Arabidopsis thaliana ve tütün bitkileri de dahil olmak üzere genetik manipülasyona uygun bazı bitkilerde moleküler biyoloji araştırmalarının çoğunu yapmışlardır . Bununla birlikte, yeni MIT yaklaşımı potansiyel olarak tüm tesisler için geçerlidir.
“Bu çalışmada, sekiz bitki türünü hızlı bir şekilde karşılaştırabildik ve bunu eski araçlarla yapamazsınız,” diyor Strano.
Araştırmacılar çilek bitkilerini, ıspanak, roka, marul, su teresi ve kuzukulağı test ettiler ve farklı türlerin farklı dalga formları ürettiğini buldular - zamanla hidrojen peroksit konsantrasyonunu haritalayarak üretilen ayırt edici şekil. Her bitkinin cevabının hasara karşı koyma kabiliyeti ile ilişkili olduğunu varsayıyorlar. Her türün mekanik yaralanma, enfeksiyon ve ısı veya ışık hasarı gibi farklı stres türlerine farklı tepki verdiği görülmektedir.
Strano, “Bu dalga formu her tür için çok fazla bilgi barındırıyor ve daha da heyecan verici olanı, belirli bir bitki üzerindeki stres türünün bu dalga formunda kodlanmış olması. “Bir bitkinin hemen hemen her yeni ortamda deneyimlediği gerçek zamanlı yanıta bakabilirsiniz.”
Stres yanıtı
Sensörler tarafından üretilen kızılötesine yakın flüoresan, akıllı telefonun içindeki bilgisayara benzer, 35 dolarlık kredi kartı büyüklüğünde bir bilgisayar olan Raspberry Pi'ye bağlı küçük bir kızılötesi kamera kullanılarak görüntülenebilir. “Sinyali yakalamak için çok ucuz enstrümanlar kullanılabilir” diyor Strano.
Bu teknoloji için uygulamalar, farklı bitki türlerinin mekanik hasara, ışığa, ısıya ve diğer stres türlerine direnme yetenekleri açısından taranmasını içerir. Ayrıca, narenciye yeşillenmesine neden olan bakteriler ve kahve pasına neden olan mantar gibi farklı türlerin patojenlere nasıl tepki verdiğini incelemek için de kullanılabilir.
“Yapmakla ilgilendiğim şeylerden biri, bazı bitki türlerinin neden bu patojenlere karşı belirli bir bağışıklık sergilediğini anlamak, diğerlerinin yapmadığını anlamak.
Strano ve MIT'in Singapur'daki araştırma kuruluşu MIT-Singapur Araştırma ve Teknoloji İttifakı'nda (SMART) Tarımsal Hassasiyet için Yıkıcı ve Sürdürülebilir Teknoloji disiplinlerarası araştırma grubundaki meslektaşları da bitkilerin farklı büyüme koşullarına nasıl tepki verdiğini incelemekle ilgileniyorlar. kentsel çiftlikler.
Ele almayı umdukları bir sorun, birçok bitki türünde yüksek yoğunlukta yetiştirildiğinde görülen gölge kaçınmasıdır. Bu tür bitkiler, enerjiyi ürün üretmeye koymak yerine, kaynaklarını daha uzun boylu hale getiren bir stres tepkisini açar. Bu, toplam mahsul verimini düşürür, bu nedenle tarım araştırmacıları mühendislik tesisleriyle ilgilenirler, böylece bu yanıtı açmazlar.
“Sensörümüz, bu stres sinyalini kesmemize ve gölgeden kaçınmaya neden olan tesiste yukarı ve aşağı yönde olan koşulları ve mekanizmayı tam olarak anlamamıza izin veriyor,” diyor Strano.
Araştırma, Singapur Ulusal Araştırma Vakfı, Singapur Bilim, Teknoloji ve Araştırma Ajansı (A * STAR) ve ABD Enerji Hesaplamalı Bilim Lisansüstü Burs Programı tarafından finanse edildi.
MIT kimya mühendisleri, bitki yapraklarına gömülebilen ve hasarın meydana geldiğini gösteren hidrojen peroksit seviyelerini ölçebilen bir sensör tasarladılar. Sinyal yakındaki bir akıllı telefona gönderilebilir.
Anne Trafton | MIT Haber Ofisi
Kaynak:https://www.lifescience.net/news/3133/nanosensor-can-alert-a-smartphone-when-plants-are-/