Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các kỹ sư có thể theo dõi chặt chẽ cách thức thực vật phản ứng với các vấn đề căng thẳng như chấn thương, nhiễm trùng và thiệt hại ánh sáng bằng cách sử dụng các cảm biến làm từ ống nano carbon. Những cảm biến này có thể được nhúng trong lá cây, nơi chúng báo cáo về mức độ hydrogen peroxide.
Các kỹ sư của MIT đã phát triển một cách để theo dõi chặt chẽ cách thức thực vật phản ứng với các vấn đề căng thẳng như chấn thương, nhiễm trùng và tổn thương ánh sáng bằng cách sử dụng các cảm biến làm từ ống nano carbon. Những cảm biến này có thể được nhúng trong lá cây, nơi chúng báo cáo về sóng tín hiệu hydro peroxide.
Thực vật sử dụng hydro peroxide để liên lạc trong lá của chúng, phát ra tín hiệu ‘đau khổ’ để kích thích tế bào lá tạo ra các hợp chất giúp chúng sửa chữa thiệt hại hoặc chống lại kẻ săn mồi như côn trùng. Các cảm biến mới có thể sử dụng các tín hiệu hydro peroxide này để phân biệt giữa các loại vấn đề căng thẳng khác nhau, cũng như giữa các loài thực vật khác nhau.
Ông Michael Strano, Giáo sư Kỹ thuật Hóa học của Carbon P. Dubbs tại MIT cho biết: “Lần đầu tiên chúng ta có thể quan sát được thực vật có hình thức giao tiếp nội bộ rất phức tạp. Điều đó có nghĩa là trong thời gian thực, chúng ta có thể thấy phản ứng của thực vật sống, truyền đạt loại vấn đề căng thẳng cụ thể mà nó gặp phải.”
Loại cảm biến này có thể được sử dụng để nghiên cứu cách thực vật phản ứng với các loại căng thẳng khác nhau, có khả năng giúp các nhà khoa học nông nghiệp phát triển các chiến lược mới để cải thiện năng suất cây trồng. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh cách tiếp cận của họ ở tám loài thực vật khác nhau bao gồm rau bina, cây dâu tây và arugula, và họ tin rằng nó có thể hoạt động trong nhiều hơn nữa.
Strano là tác giả cao cấp của nghiên cứu xuất hiện ngày hôm nay trên tạp chí Nature Plants . Sinh viên tốt nghiệp MIT Tedrick Thomas Salim Lew là tác giả chính của bài báo.
Cảm biến nhúng
Trong nhiều năm qua, phòng thí nghiệm của Strano đã khám phá tiềm năng của kỹ thuật “các nhà máy nano” – các nhà máy kết hợp vật liệu nano cung cấp cho các nhà máy các chức năng mới như phát ra ánh sáng hoặc phát hiện thiếu nước. Trong nghiên cứu mới, ông đã bắt đầu kết hợp các cảm biến sẽ báo cáo lại tình trạng sức khỏe của cây.
Strano trước đây đã phát triển các cảm biến ống nano carbon có thể phát hiện các phân tử khác nhau, bao gồm cả hydrogen peroxide. Khoảng ba năm trước, Lew bắt đầu làm việc để cố gắng kết hợp các cảm biến này vào lá cây. Các nghiên cứu ở Arabidopsis thaliana thường được sử dụng cho các nghiên cứu phân tử thực vật, đã cho rằng thực vật có thể sử dụng hydro peroxide làm phân tử tín hiệu, nhưng vai trò chính xác của nó không rõ ràng.
Lew đã sử dụng một phương pháp gọi là thâm nhập đường bao trao đổi lipid (LEEP) để kết hợp các cảm biến vào lá cây. LEEP, phòng thí nghiệm của Strano đã phát triển vài năm trước cho phép thiết kế các hạt nano có thể xuyên qua màng tế bào thực vật. Khi Lew đang nghiên cứu về việc nhúng các cảm biến ống nano carbon, anh đã thực hiện một khám phá tình cờ.
“Tôi đang tự rèn luyện để làm quen với kỹ thuật này và trong quá trình đào tạo, tôi đã vô tình gây ra vết thương trên cây. Sau đó, tôi đã thấy sự phát triển của tín hiệu hydro peroxide”.
Ông nhìn thấy rằng sau khi một chiếc lá bị thương, hydro peroxide đã được giải phóng khỏi vị trí vết thương và tạo ra một làn sóng lan dọc theo chiếc lá, tương tự như cách các tế bào thần kinh truyền xung điện trong não của chúng ta. Khi một tế bào thực vật giải phóng hydro peroxide, nó kích hoạt giải phóng canxi trong các tế bào lân cận, kích thích các tế bào này giải phóng nhiều hydrogen peroxide hơn.
Giống như domino liên tiếp rơi xuống, điều này tạo ra một làn sóng có thể lan truyền xa hơn nhiều so với một hơi hydro peroxide một mình. Bản thân sóng được cung cấp bởi các tế bào tiếp nhận và truyền nó.
Lũ hydro peroxide này kích thích các tế bào thực vật tạo ra các phân tử được gọi là chất chuyển hóa thứ cấp như flavonoid hoặc carotenoids giúp chúng sửa chữa thiệt hại. Một số thực vật cũng sản xuất các chất chuyển hóa thứ cấp khác có thể được tiết ra để chống lại kẻ săn mồi. Các chất chuyển hóa này thường là nguồn gốc của các hương vị thực phẩm mà chúng ta mong muốn trong các cây ăn được của chúng ta, và chúng chỉ được sản xuất dưới áp lực.
Một lợi thế chính của kỹ thuật cảm biến mới là nó có thể được sử dụng ở nhiều loài thực vật khác nhau. Theo truyền thống, các nhà sinh học thực vật đã thực hiện nhiều nghiên cứu sinh học phân tử của họ ở một số thực vật nhất định có thể điều chỉnh được gen, bao gồm Arabidopsis thaliana và cây thuốc lá. Tuy nhiên, phương pháp mới của MIT có thể áp dụng cho bất kỳ loại thực vật nào.
“Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã có thể so sánh nhanh chóng tám loài thực vật và bạn sẽ không thể làm điều đó với các công cụ cũ”, Strano nói.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm cây dâu tây, rau bina, arugula, rau diếp, cải xoong, cây me chua và thấy rằng các loài khác nhau dường như tạo ra các dạng sóng khác nhau – hình dạng đặc biệt được tạo ra bằng cách lập bản đồ nồng độ hydro peroxide theo thời gian. Họ đưa ra giả thuyết rằng phản ứng của mỗi cây có liên quan đến khả năng chống lại thiệt hại. Mỗi loài cũng phản ứng khác nhau đối với các loại căng thẳng khác nhau, bao gồm chấn thương cơ học, nhiễm trùng và tổn thương do nhiệt hoặc ánh sáng.
Dạng sóng này chứa rất nhiều thông tin cho từng loài và điều thú vị hơn nữa là loại ứng suất trên một loại cây nhất định được mã hóa theo dạng sóng này. Bạn có thể nhìn vào phản ứng thời gian thực mà một cây trải nghiệm trong hầu hết mọi môi trường mới.
Phản ứng căng thẳng
Có thể chụp ảnh huỳnh quang gần hồng ngoại do các cảm biến tạo ra bằng camera hồng ngoại nhỏ được kết nối với Raspberry Pi, một máy tính có kích thước bằng thẻ tín dụng tương tự như máy tính bên trong điện thoại thông minh. Thiết bị rất rẻ tiền có thể được sử dụng để thu tín hiệu.
Các ứng dụng cho công nghệ này bao gồm sàng lọc các loài thực vật khác nhau về khả năng chống lại thiệt hại cơ học, ánh sáng, nhiệt và các dạng căng thẳng khác. Nó cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu cách các loài khác nhau phản ứng với mầm bệnh chẳng hạn như vi khuẩn gây ra bệnh xanh lá cây và nấm gây ra bệnh gỉ sắt cà phê.
Strano và các đồng nghiệp của ông trong nhóm nghiên cứu liên ngành và công nghệ bền vững cho nông nghiệp chính xác tại Liên minh nghiên cứu và công nghệ MIT-Singapore (SMART), doanh nghiệp nghiên cứu của MIT tại Singapore cũng quan tâm nghiên cứu cách thức thực vật phản ứng với các điều kiện phát triển khác nhau trong trang trại đô thị.
Một vấn đề họ hy vọng sẽ giải quyết là tránh bóng râm, được thấy ở nhiều loài thực vật khi chúng được trồng với mật độ cao. Những nhà máy như vậy bật một phản ứng căng thẳng chuyển hướng tài nguyên của họ phát triển cao hơn, thay vì đưa năng lượng vào sản xuất cây trồng. Điều này làm giảm năng suất cây trồng nói chung, vì vậy các nhà nghiên cứu nông nghiệp quan tâm đến các nhà máy kỹ thuật để không bật phản ứng đó.
“Cảm biến của chúng tôi cho phép chúng tôi chặn tín hiệu căng thẳng đó và để hiểu chính xác các điều kiện và cơ chế đang xảy ra ở thượng nguồn và hạ nguồn trong nhà máy làm tăng bóng râm,” Strano nói.
Nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ nghiên cứu quốc gia Singapore, Cơ quan khoa học, công nghệ và nghiên cứu Singapore (A * STAR) và Chương trình nghiên cứu sinh khoa học tính toán năng lượng của Bộ năng lượng Hoa Kỳ.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Viện Công nghệ Massachusetts . Bản gốc được viết bởi Anne Trafton. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :