通用纳米传感器能够实时、无损地跟踪植物生长激素

研究人员开发了世界上第一个近红外（NIR）荧光纳米传感器，能够实时、无损和物种无关地检测吲哚-3-乙酸（IAA），IAA是控制植物发育、生长和应对胁迫的主要生物活性生长素。

这项工作包括来自新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）的颠覆性和可持续农业精准技术（DiSTAP）跨学科研究小组（IRG）的研究人员，该联盟是麻省理工在新加坡的研究企业，与淡马锡生命科学实验室（TLL）和麻省理工大学（MIT）合作。

生长素，特别是IAA，在调节关键的植物过程中起着核心作用，如细胞分裂、伸长、根和茎发育，以及对光、热和干旱等环境线索的反应。

光等外部因素会影响生长素在植物内的移动方式，温度会影响生长素的产生量，缺水会破坏激素平衡。当植物不能有效地调节生长素时，它们可能无法生长良好，无法适应不断变化的条件或产生同样多的食物。

现有的IAA检测方法，如液相色谱法，需要从植物中采集植物样本，这会损害或去除部分IAA。

传统方法也会测量IAA的影响，而不是直接检测，并且不能在不同的植物类型中普遍使用。此外，由于IAA是不易实时追踪的小分子，因此需要将含有荧光蛋白的生物传感器插入植物的基因组中以测量生长素，使其发出荧光信号进行实时成像。

SMART新开发的纳米传感器能够以高精度直接实时跟踪活体植物中的生长素水平。该传感器使用近红外成像来非侵入性地监测叶片、根和子叶等组织中的IAA波动，并且能够绕过叶绿素干扰，即使在色素密集的组织中也能确保高度可靠的读数。

该技术不需要基因改造，可以与现有的农业系统集成，提供了一种可扩展的精确工具，可以推进作物优化和基础植物生理学研究。

通过实时、精确地测量生长素（一种对植物生长和胁迫反应至关重要的激素），该传感器使农民能够更早、更准确地了解植物健康状况。

有了这些见解和全面的数据，农民可以根据植物的实际需求，在灌溉、养分输送和修剪方面做出更明智、数据驱动的决策，最终改善作物生长，提高抗逆性，提高产量。DiSTAP和麻省理工学院Carbon p.Dubbs化学工程教授、该论文的合著者Michael Strano教授说：“我们需要新技术来解决全球粮食不安全和气候变化问题。生长素是活植物中的核心生长信号，这项工作为我们提供了一种利用它为农民和研究人员提供新信息的方法。”。

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“应用很多，包括早期检测植物胁迫，以便及时干预以保护作物。对于光、水和营养已经受到严格控制的城市和室内农场来说，这种传感器可以成为微调生长条件的有价值的工具，具有更高的精度，以优化产量和可持续性。”

研究小组在ACS Nano杂志上发表的一篇题为“用于直接和实时测量植物中吲哚-3-乙酸的近红外荧光纳米传感器”的论文中记录了纳米传感器的发展。

该传感器由包裹在特殊设计的聚合物中的单壁碳纳米管（SWNT）组成，这使其能够通过近红外荧光强度的变化来检测IAA。

该纳米传感器成功地在包括拟南芥、烟草、白菜和菠菜在内的多个物种中进行了测试，可以绘制出阴影、低光和热胁迫等各种环境条件下的IAA反应。

“该传感器基于DiSTAP在纳米技术和CoPhMoRe技术方面的持续工作，该技术已被用于开发其他可以检测重要植物化合物（如赤霉素和过氧化氢）的传感器，”DiSTAP研究科学家、该论文的共同第一作者Duc Thinh Khong博士说。

“通过将这种方法应用于IAA，我们增加了用于监测植物健康的新型、精确和非破坏性工具的库存。最终，这些传感器可以多路复用或组合，以监测一系列植物生长标记，从而更全面地了解植物生理学。”TLL和DiSTAP的首席研究员，也是该论文的共同通讯作者。

展望未来，研究小组正寻求结合多个传感平台，同时检测IAA及其相关代谢物，以创建全面的激素信号传导谱，为植物胁迫反应提供更深入的见解，并加强精准农业。

他们还致力于使用微针进行高度本地化的组织特异性传感，并与工业城市农业合作伙伴合作，将该技术转化为实用的现场解决方案。p