I sensori delle piante potrebbero fungere da sistema di allarme precoce per gli agricoltori Notizie del MIT

Utilizzando una coppia di sensori realizzati con nanotubi di carbonio, i ricercatori del MIT e della Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) hanno rilevato segnali che rivelano quando i piani sono esposti a fattori di stress come calore, luce o attacchi di insetti o batteri.

I sensori rilevano due molecole di segnalazione che le piante utilizzano per coordinare la loro risposta allo stress: il perossido di idrogeno e l’acido salicilico (una molecola simile all’aspirina). I ricercatori hanno scoperto che le piante producono queste molecole in momenti diversi per ciascun tipo di stress, creando modelli distinti che possono fungere da sistema di allarme precoce.

I ricercatori affermano che gli agricoltori possono utilizzare questi sensori per monitorare potenziali minacce ai loro raccolti, consentendo loro di intervenire prima che i raccolti vadano persi.

“Quello che abbiamo scoperto è che questi due sensori insieme possono dire all'utente esattamente a quale tipo di stress è sottoposta la pianta”, afferma Michael Strano, professore di ingegneria chimica di Carbon B. Dobbs al MIT e uno dei ricercatori principali Nell’impianto, in tempo reale, si ottengono cambiamenti nell’aumento e nella diminuzione dei prodotti chimici, ciascuno dei quali indica una pressione diversa”, hanno affermato gli autori dello studio.

Sarojam Rajani, ricercatore principale senior presso il Temasek Life Sciences Laboratory di Singapore, è anche uno degli autori senior dello studio. cartache appare in Comunicazioni sulla natura. Gli autori principali di questo articolo sono Mervyn Chun-Yi Ang, direttore scientifico associato presso SMART e Julie Madathiparambil Saju, responsabile della ricerca presso Temasek Life Sciences Laboratory.

Sensore di tensione

Le piante rispondono a diversi tipi di stress in modi diversi. Nel 2020, il laboratorio di Strano ha sviluppato un sensore in grado di rilevare il perossido di idrogeno, che le cellule vegetali utilizzano come segnale di pericolo quando vengono attaccate da insetti o affrontano altri fattori di stress come infezioni batteriche o troppa luce.

Questi sensori sono costituiti da piccoli nanotubi di carbonio avvolti in polimeri. Modificando la struttura tridimensionale dei polimeri, i sensori possono essere progettati per rilevare diverse molecole, fornendo un segnale fluorescente quando è presente un bersaglio. Nel nuovo studio, i ricercatori hanno utilizzato questo approccio per sviluppare un sensore in grado di rilevare l’acido salicilico, una molecola coinvolta nella regolazione di molti aspetti della crescita, dello sviluppo e della risposta allo stress delle piante.

Per incorporare i nanosensori nelle piante, i ricercatori li dissolvono in una soluzione, che viene poi applicata sulla parte inferiore della foglia della pianta. I sensori possono entrare nelle foglie attraverso i pori chiamati stomi e depositarsi nel mesofillo, lo strato in cui avviene la maggior parte della fotosintesi. Quando il sensore è attivato, il segnale può essere facilmente rilevato utilizzando una telecamera a infrarossi.

In questo studio, i ricercatori hanno utilizzato sensori di perossido di idrogeno e acido salicilico sul pak choy, una verdura a foglia verde nota anche come bok choy o cavolo cinese. Successivamente, hanno esposto le piante a quattro diversi tipi di stress – calore, luce intensa, punture di insetti e infezioni batteriche – e hanno scoperto che le piante generavano risposte distinte a ciascun tipo di stress.

Ogni tipo di stress ha fatto sì che le piante producessero perossido di idrogeno in pochi minuti, raggiungessero livelli di picco entro un’ora e poi tornassero alla normalità. Il calore, la luce e l'infezione batterica hanno stimolato la produzione di acido salicilico entro 2 ore dalla stimolazione, ma in momenti diversi. Le punture di insetti non hanno stimolato affatto la produzione di acido salicilico.

Strano sostiene che i risultati rappresentano un “linguaggio” utilizzato dalle piante per coordinare la loro risposta allo stress. Le ondate di perossido di idrogeno e acido salicilico innescano ulteriori risposte che aiutano la pianta a sopravvivere a qualunque tipo di stress si trovi ad affrontare.

Nel caso di uno stress come una puntura d'insetto, questa risposta comporta la produzione di composti chimici che non piacciono agli insetti, che li allontanano dalla pianta. L’acido salicilico e il perossido di idrogeno possono anche attivare vie di segnalazione che producono proteine ​​che aiutano le piante a rispondere al calore e ad altri stress.

“Le piante non hanno un cervello, non hanno un sistema nervoso centrale, ma si sono evolute per emettere una diversa miscela di sostanze chimiche, ed è così che comunicano al resto della pianta che sta diventando troppo caldo, o un predatore di insetti. “Attacca”, dice Strano.

Allerta precoce

Questa tecnologia è la prima in grado di ottenere informazioni in tempo reale da un impianto e l'unica che può essere applicata a quasi tutti gli impianti. La maggior parte dei sensori esistenti sono costituiti da proteine ​​fluorescenti che devono essere ingegnerizzate geneticamente per una specie vegetale specifica, come il tabacco o la comune pianta sperimentale. Pianta dell'Arabidopsis thalianae non può essere applicato universalmente.

I ricercatori stanno ora adattando questi sensori per creare piante sentinella che possano essere monitorate per dare agli agricoltori un allarme tempestivo quando i loro raccolti sono sotto stress. Quando le piante non hanno abbastanza acqua, ad esempio, iniziano a diventare marroni, ma quando ciò accade, di solito è troppo tardi per intervenire.

“Con il cambiamento climatico e l’aumento della popolazione umana, c’è un grande bisogno di comprendere meglio come le piante rispondono e si adattano allo stress, nonché di progettare piante più tolleranti allo stress. Il lavoro rivela l’interazione tra H₂EHI₂“Una delle specie reattive dell'ossigeno più importanti nelle piante, e l'ormone acido salicilico, è ampiamente coinvolto nelle risposte delle piante allo stress e contribuisce quindi alla comprensione meccanicistica della segnalazione dello stress nelle piante”, afferma Eleni Stavrinidou, professore associato senior di bioingegneria. presso l'Università di Linköping in Svezia, che non è stata coinvolta nella ricerca.

Questa tecnologia potrebbe anche essere utilizzata per sviluppare sistemi che non solo rilevano quando le piante sono in difficoltà, ma possono anche innescare una risposta come il cambiamento della temperatura o della quantità di luce nella serra.

“Stiamo incorporando questa tecnologia nella diagnostica in grado di fornire agli agricoltori informazioni in tempo reale molto più velocemente di qualsiasi altro sensore e abbastanza veloce da consentire loro di intervenire”, afferma Strano.

I ricercatori stanno anche lavorando per sviluppare sensori che possano essere utilizzati per rilevare altre molecole di segnalazione delle piante, nella speranza di saperne di più sulle loro risposte allo stress e ad altri stimoli.

La ricerca è stata finanziata dalla National Research Foundation di Singapore e dall’Istituto nazionale per l’alimentazione e l’agricoltura del Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti.