來自新加坡麻省理工學院研究與技術(shù)聯(lián)盟(SMART)的農(nóng)業(yè)精密顛覆性和可持續(xù)技術(shù)(DiSTAP)跨學科研究小組(IRG)的研究人員，麻省理工學院在新加坡的研究企業(yè)及其來自淡馬錫生命科學實驗室(TLL)的合作者開發(fā)了有史以來第一個可以檢測和區(qū)分赤霉素(GAs)的納米傳感器，赤霉素是植物中對生長很重要的一類激素。

與傳統(tǒng)的收集方法不同，新型納米傳感器是非破壞性的，并且已經(jīng)在活植物中成功進行了測試。這些傳感器應(yīng)用于早期植物脅迫監(jiān)測領(lǐng)域，可以證明對農(nóng)業(yè)和植物生物技術(shù)具有變革性作用，為對高科技精準農(nóng)業(yè)和作物管理感興趣的農(nóng)民提供了優(yōu)化產(chǎn)量的寶貴工具。

研究人員設(shè)計了近紅外(NIR)熒光碳納米管傳感器，能夠檢測和區(qū)分兩種植物激素GA3和GA4。GA3和GA4屬于一類稱為赤霉素(GAs)的植物激素，是由植物產(chǎn)生的二萜類植物激素，在調(diào)節(jié)植物生長和發(fā)育所涉及的各種過程中起著重要作用。

大會被認為在1960年代“綠色革命”背后的推動力中發(fā)揮了作用，而這場革命反過來又被認為避免了饑荒并挽救了全世界許多人的生命。對赤霉素的持續(xù)研究可能導致農(nóng)業(yè)科學的進一步突破，并對糧食安全產(chǎn)生影響。

氣候變化、全球變暖和海平面上升導致農(nóng)業(yè)土壤被鹽水污染，提高土壤鹽度。反過來，已知高土壤鹽度會負調(diào)節(jié)GA生物合成并促進GA代謝，導致植物中GA含量降低。

SMART研究人員開發(fā)的新型納米傳感器允許在非常早期的階段研究鹽脅迫下活植物的GA動力學，有可能使農(nóng)民在最終應(yīng)用于田間時進行早期干預。這構(gòu)成了早期壓力檢測的基礎(chǔ)。

目前，檢測GA3和GA4的方法通常需要基于質(zhì)譜的分析，這是一個耗時且破壞性的過程。相比之下，研究人員開發(fā)的新傳感器對各自的GA具有高度選擇性，并提供對各種植物物種GA水平變化的實時體內(nèi)監(jiān)測。

該研究在《納米快報》上發(fā)表的一篇論文中有所描述，代表了早期植物脅迫檢測的突破，并具有推動植物生物技術(shù)和農(nóng)業(yè)發(fā)展的巨大潛力。本文基于SMART DiSTAP團隊先前使用電暈相分子識別(CoPhMoRe)平臺對單壁碳納米管(基于SWNT)納米傳感器的研究。

基于麻省理工學院斯特拉諾實驗室開創(chuàng)的CoPhMoRe概念，新型傳感器能夠檢測各種模型和非模型植物物種(包括擬南芥，生菜和羅勒)根部的GA動力學，以及側(cè)根出現(xiàn)期間的GA積累，突出了GA在根系結(jié)構(gòu)中的重要性。

這是通過研究人員開發(fā)的一種新型耦合拉曼/近紅外熒光計實現(xiàn)的，該熒光計可以通過拉曼G波段對納米傳感器NIR熒光進行自我參考，這是一項新的硬件創(chuàng)新，無需單獨的參考納米傳感器，并通過使用單個光通道測量激素濃度大大簡化了儀器要求。

使用可逆的GA納米傳感器，研究人員檢測到突變植物中內(nèi)源性GA水平增加，產(chǎn)生更多的GA20ox1，GA生物合成中的關(guān)鍵酶，以及鹽脅迫下植物GA水平降低。當暴露于鹽脅迫時，研究人員還發(fā)現(xiàn)生菜生長嚴重發(fā)育遲緩 - 這一跡象僅在10天后才變得明顯。

相比之下，GA納米傳感器報告GA水平在短短6小時后下降，證明了它們作為鹽脅迫早期指標的有效性。

“我們的CoPhMoRe技術(shù)使我們能夠創(chuàng)造像天然抗體一樣的納米顆粒，因為它們可以識別并鎖定特定分子。但它們往往比替代品穩(wěn)定得多。我們已經(jīng)使用這種方法成功地為植物信號(如過氧化氫)和重金屬污染物(如植物和土壤中的砷)制造納米傳感器。正如我們所展示的，該方法可以為有機分子創(chuàng)建傳感器，如合成生長素 - 一種重要的植物激素。這一最新突破現(xiàn)在將這一成功擴展到一種名為赤霉素的植物激素家族 - 這是一個非常難以識別的家族，“共同通訊作者，DiSTAP聯(lián)合首席研究員Michael Strano教授和麻省理工學院化學工程Carbon P. Dubbs教授說。

“由此產(chǎn)生的技術(shù)提供了一種快速，實時和體內(nèi)的方法，可以監(jiān)測幾乎任何工廠GA水平的變化，并且可以取代當前費力，破壞性，物種特異性和效率低得多的傳感方法。

DiSTAP副科學總監(jiān)兼該論文的共同第一作者Mervin Chun-Yi Ang博士補充說：“不僅僅是植物脅迫檢測的突破，我們還展示了一種新的耦合拉曼/近紅外熒光計形式的硬件創(chuàng)新，該熒光計能夠使用拉曼G波段對SWNT傳感器熒光進行自我參考，這代表了我們的納米傳感工具集向該領(lǐng)域的重大進步。

“在不久的將來，我們的傳感器可以與低成本電子產(chǎn)品、便攜式光電器件或工業(yè)用微針接口相結(jié)合，改變行業(yè)篩選和減輕糧食作物植物脅迫的方式，并有可能提高生長和產(chǎn)量。

新的傳感器可能具有各種工業(yè)應(yīng)用和用例。作為TLL首席研究員，新加坡國立大學兼職助理教授Daisuke Urano和該論文的共同通訊作者解釋說：“眾所周知，GA可以調(diào)節(jié)廣泛的植物發(fā)育過程，從芽，根和花發(fā)育到種子發(fā)芽和植物脅迫反應(yīng)。隨著GA的商業(yè)化，這些植物激素也作為植物生長調(diào)節(jié)劑出售給種植者和農(nóng)民，以促進植物生長和種子發(fā)芽。我們的新型GA納米傳感器可以應(yīng)用于田間早期植物脅迫監(jiān)測，也可以被種植者和農(nóng)民用于跟蹤GA在作物中的吸收或代謝。

納米傳感器的設(shè)計和開發(fā)，耦合拉曼/近紅外熒光計和相關(guān)圖像/數(shù)據(jù)處理算法的創(chuàng)建和驗證，以及本研究植物傳感器讀數(shù)的統(tǒng)計分析由SMART和麻省理工學院完成;而 TLL 則負責植物相關(guān)研究的設(shè)計、執(zhí)行和分析，包括活植物中納米傳感器的驗證。